Convertidores de voltaje de pulso sin transformador simples

Muchos jamones principiantes tienen dificultades para determinar el tipo de fuente de alimentación, pero no es tan difícil. Los principales métodos de conversión de voltaje son usar una de las dos opciones de circuito:

• Transformador;

• Fuentes de alimentación sin transformador.

A su vez, los transformadores difieren en el tipo de circuito:

• Red eléctrica, con un transformador que funciona a una frecuencia de 50 Hz;

• Pulso, con un transformador que funciona a altas frecuencias (decenas de miles de Hz).

Los circuitos de impulsos de las fuentes de alimentación pueden aumentar la eficiencia general del producto final, evitando pérdidas estáticas en estabilizadores lineales y otros elementos.

Circuitos sin transformador

Si existe la necesidad de energía de una fuente de alimentación doméstica de 220 V, los dispositivos más simples pueden encenderse desde fuentes de alimentación utilizando elementos de lastre para reducir el voltaje. Un ejemplo ampliamente conocido de una fuente de energía de este tipo es un circuito condensador de lastre.

Sin embargo, hay una serie de controladores con funciones integradas. Controlador PWM y una tecla de encendido para construir un convertidor de pulso sin transformador, estos son muy comunes en Bombillas LED y otra tecnología.

En el caso de energía de una fuente de corriente continua, por ejemplo, baterías u otras baterías galvánicas, use:

• Estabilizador de voltaje lineal (un estabilizador integral del tipo KREN o L78xx con o sin transistor de alimentación, un estabilizador paramétrico de un diodo zener y un transistor)

• Convertidor de pulsos (reductor - BUCK, elevador - BOOST o elevador - BUCK-BOOST)

La ventaja de las fuentes de alimentación y los convertidores sin transformador es la siguiente:

• No es necesario enrollar el transformador, la conversión se realiza mediante el acelerador y las teclas;

• Una consecuencia de lo anterior son las pequeñas dimensiones de las fuentes de energía.

Desventajas

• La ausencia de aislamiento galvánico, en caso de mal funcionamiento de las teclas, conduce a la aparición de voltaje de la fuente de alimentación primaria. Esto es crítico especialmente si su papel lo desempeña una red de 220 V;

• Peligro de descarga eléctrica, como resultado del acoplamiento galvánico;

• Las grandes dimensiones del inductor en los convertidores de alta potencia ponen en duda la viabilidad de utilizar esta topología de fuentes de alimentación. Con indicadores comparables de peso y tamaño, puede usar un transformador, un convertidor aislado galvánicamente.

Las principales variedades de convertidores de voltaje de conmutación

En la literatura nacional, a menudo se encuentra la abreviatura "IPPN", que significa: Pulso reductor (o elevador, o ambos) convertidor de voltaje

Como base, se pueden distinguir tres esquemas básicos.

1. IPPN1 - Convertidor reductor, en literatura inglesa - BUCK DC CONVERTER o Reductor.

2. IPPN2 - Convertidor Boost, en literatura inglesa - BOOST DC CONVERTER o Step-up.

3. IPPN3 - Convertidor inversor con la posibilidad de aumentar o disminuir el voltaje, CONVERTIDOR DC BUCK-BOOST.

¿Cómo funciona un convertidor de dinero pulsado?

Comencemos considerando el principio de funcionamiento del primer esquema: IPPN1.

 

En el esquema, se pueden distinguir dos circuitos de alimentación:

1. "+" de la fuente de energía se suministra a través de una clave privada (transistor de cualquier tipo de conductividad correspondiente) a Lн (estrangulador de almacenamiento), luego la corriente fluye a través de la carga a la fuente de energía "-".

2. El segundo circuito está formado por diodo Д, acelerador Lн y carga conectada Rн.

Cuando se cierra la llave, la corriente pasa a lo largo del circuito primario, la corriente fluye a través del inductor y la energía se acumula en su campo magnético. Cuando apagamos (abrimos) la llave, la energía almacenada en la bobina se disipa en la carga, mientras que la corriente fluye a través del segundo circuito.

El voltaje en la salida (carga) de dicho convertidor es

Uout = Uin * Ku

Ku es el coeficiente de conversión, que depende del ciclo de trabajo de los pulsos de control del interruptor de encendido.

Ku = Uout / Uin

El ciclo de trabajo "D" es la relación del tiempo cuando la llave está abierta al período PWM. "D" puede tomar valores de 0 a 1.

IMPORTANTE: Para STI1 Ku = D. Esto significa que los límites de regulación de este estabilizador son aproximadamente iguales - 0 ... Uout.

El voltaje de salida de dicho convertidor es similar en polaridad al voltaje de entrada.

¿Cómo funciona un convertidor de voltaje de impulso de pulso

IPPN2: es capaz de aumentar el voltaje del voltaje de suministro a un valor diez veces mayor que este. Esquemáticamente, consta de los mismos elementos que el anterior.

Cualquier convertidor de este tipo tiene en su composición tres ingredientes activos principales:

• Clave administrada (bipolar, campo, Transistores IGBT, MOSFET);

• Llave no controlada (diodo rectificador);

• Inductancia acumulativa.

La corriente siempre fluye a través de la inductancia, solo cambia su magnitud.

Para comprender el principio de funcionamiento de este convertidor, debe recordar la ley de conmutación del inductor: "La corriente a través del inductor no puede cambiar instantáneamente".

Esto es causado por un fenómeno como la autoinducción EMF o la contra-EMF. Dado que el campo electromagnético de la inductancia evita un cambio brusco en la corriente, la bobina se puede representar como una fuente de energía. Luego, en este circuito, cuando la llave se cierra a través de la bobina, comienza a fluir una corriente de gran magnitud, pero, como se ha dicho bruscamente, no puede aumentar.

Counter-EMF es un fenómeno cuando en los extremos de la bobina aparece un EMF opuesto a lo que se aplica. Si presenta esto en el diagrama para mayor claridad, tendrá que imaginar el inductor en forma de una fuente de EMF.

El número "1" indica el estado del circuito cuando la llave está cerrada. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación y el símbolo de las bobinas EMF están conectados en serie con los terminales positivos, es decir. se restan sus valores EMF. En este caso, la inductancia impide el paso de la corriente eléctrica, o más bien ralentiza su crecimiento. A medida que crece, después de un cierto intervalo de tiempo constante, el valor del contador EMF disminuye y aumenta la corriente a través de la inductancia.

Digresión lírica:

El valor del EMF de autoinducción, como cualquier otro EMF, se mide en voltios.

Durante este período de tiempo, la corriente principal fluye a lo largo del circuito: clave cerrada de inductancia de fuente de energía.

Cuando se abre la tecla SA, circuito 2. La corriente comienza a fluir a lo largo de dicho circuito: fuente de alimentación-inductancia-carga de diodos. Desde la resistencia de carga, a menudo mucho más que la resistencia del canal de un transistor cerrado. En este caso, una vez más: la corriente que fluye a través de la inductancia no puede cambiar abruptamente, la inductancia siempre busca mantener la dirección y la magnitud de la corriente, por lo tanto, el contador EMF aparece nuevamente, pero en polaridad inversa.

Observe cómo en el segundo diagrama están conectados los polos de la fuente de alimentación y la fuente EMF que reemplaza la bobina. Están conectados en serie por polos opuestos, y los valores de estos EMF se suman.

Por lo tanto, se produce un aumento en el voltaje.

Durante el proceso de almacenamiento de energía de inductancia, la carga es alimentada por energía que se almacenó previamente en el condensador de suavizado.

El coeficiente de conversión en IPPN2 es

Ku = 1 / (1-D)

Como se puede ver en la fórmula: cuanto mayor es D el ciclo de trabajo, mayor es el voltaje de salida. La polaridad de la potencia de salida es la misma que la entrada para este tipo de convertidor.

¿Cómo funciona el convertidor de voltaje de inversión?

El convertidor de voltaje de inversión es un dispositivo bastante interesante, ya que puede funcionar tanto en el modo de reducción de voltaje como en el modo de refuerzo. Sin embargo, vale la pena considerar que la polaridad de su voltaje de salida es opuesta a la entrada, es decir El potencial positivo está en el cable común.

La inversión también se nota en la dirección en que se enciende el diodo D. El principio de funcionamiento es un poco similar al IPPN2. En el momento en que la llave T está cerrada, ocurre el proceso de acumulación de energía de inductancia, la energía de la fuente no ingresa a la carga debido al diodo D. Cuando la llave está cerrada, la energía de inductancia comienza a disiparse en la carga.

La corriente continúa fluyendo a través de la inductancia, se produce un EMF de autoinducción, dirigido de tal manera que se forma una polaridad opuesta a la fuente de energía primaria en los extremos de la bobina. Es decir en la unión del emisor del transistor (drenaje, si transistor de efecto de campo), el cátodo del diodo y el final del devanado de la bobina forman un potencial negativo. En el extremo opuesto, respectivamente, es positivo.

El factor de conversión IPPN3 es igual a:

Ku = D / (1-D)

Mediante simples sustituciones del factor de relleno en la fórmula, determinamos que hasta un valor de D de 0.5, este convertidor actúa como un convertidor descendente y, desde arriba, como un convertidor ascendente.

¿Cómo controlar tal convertidor?

Es posible describir todas las opciones para construir controladores PWM infinitamente, se pueden escribir varios volúmenes de literatura técnica sobre esto. Quiero limitarme a enumerar algunas opciones simples:

1. Ensamble un circuito multivibrador asimétrico. En lugar de VT3, se conecta un transistor en los circuitos IPPN.

2. Una opción un poco más complicada, pero más estable en términos de frecuencia, es PWM en NE555 (haga clic en la imagen para ampliarla).

Realice cambios en el circuito, VT1 es un transistor, cambiamos el circuito para que en su lugar haya un transistor IPPN.

3. Opción de uso microcontrolador, así que también puedes hacer muchas funciones adicionales, para principiantes funcionarán bien Microcontroladores AVR. Hay un video tutorial maravilloso sobre esto.

Conclusiones

Los convertidores de voltaje de conmutación son un tema muy importante en la industria de las fuentes de alimentación para equipos electrónicos. Dichos circuitos se usan en todas partes, y recientemente, con el crecimiento de "hecho en casa" o como ahora está de moda llamar "bricolaje" y la popularidad del sitio web de aliexpress, tales convertidores se han vuelto especialmente populares y solicitados, puede pedir una placa de circuito preparada que ya se ha convertido en un convertidor clásico para LM2596 y similares por solo un par de dólares, mientras tiene la capacidad de ajustar el voltaje o la corriente, o ambos.

 

Otra placa popular es la mini-360

Puede notar que no hay transistores en estos circuitos. El hecho es que está integrado en el chip, a excepción de que hay un controlador PWM, circuitos de retroalimentación para estabilizar el voltaje de salida y más. Sin embargo, estos circuitos pueden amplificarse instalando un transistor adicional.

Si está interesado en diseñar un circuito para sus necesidades, puede leer más sobre las proporciones de diseño en la siguiente literatura:

• "Componentes para la construcción de fuentes de energía", Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Convertidores de transistores estabilizados" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.