DC-DC pārveidotāji

Dažādu elektronisko iekārtu darbināšanai DC / DC pārveidotāji tiek ļoti plaši izmantoti. Tos izmanto skaitļošanas ierīcēs, sakaru ierīcēs, dažādās vadības un automatizācijas ķēdēs utt.

Transformatoru barošanas avoti

Tradicionālajos transformatoru barošanas avotos tīkla spriegums tiek pārveidots, izmantojot transformatoru, visbiežāk pazeminātu, līdz vēlamajai vērtībai. Zemspriegums izlabo ar diodes tiltu un izlīdzina ar kondensatora filtru. Ja nepieciešams, pēc taisngrieža ievieto pusvadītāju stabilizatoru.

Transformatoru barošanas avoti parasti ir aprīkoti ar lineāriem stabilizatoriem. Šādiem stabilizatoriem ir vismaz divas priekšrocības: tās ir nelielas izmaksas un neliels detaļu skaits instalācijā. Bet šīs priekšrocības patērē zema efektivitāte, jo ievērojama daļa ieejas sprieguma tiek izmantota vadības tranzistora sildīšanai, kas ir pilnīgi nepieņemami portatīvo elektronisko ierīču barošanai.

DC / DC pārveidotāji

Ja iekārtas darbina galvaniskas baterijas vai akumulatori, sprieguma pārvēršana vajadzīgajā līmenī ir iespējama tikai ar līdzstrāvas / līdzstrāvas pārveidotāju palīdzību.

Ideja ir pavisam vienkārša: pastāvīgs spriegums tiek pārveidots par maiņstrāvu, kā likums, ar frekvenci vairākiem desmitiem vai pat simtiem kilohercu, tas paaugstinās (samazinās), un pēc tam tas tiek izlīdzināts un padots uz slodzi. Šādus pārveidotājus bieži sauc par impulsu.

Piemērs ir pastiprinātāja pārveidotājs no 1,5 V līdz 5 V, tikai datora USB izejas spriegums. Līdzīgs jaudas pārveidotājs tiek pārdots vietnē Aliexpress.

Att. 1. 1,5 V / 5 V pārveidotājs

Impulsu pārveidotāji ir labi ar to, ka tiem ir augsta efektivitāte - 60..90% robežās. Vēl viena impulsu pārveidotāju priekšrocība ir plašs ieejas spriegumu diapazons: ieejas spriegums var būt zemāks par izejas spriegumu vai daudz lielāks. Parasti DC / DC pārveidotājus var iedalīt vairākās grupās.

Pārveidotāju klasifikācija

Atkāpšanās vai buksēšana

Šo pārveidotāju izejas spriegums, kā likums, ir zemāks par ieeju: bez īpašiem zaudējumiem vadības tranzistora sildīšanai jūs varat iegūt tikai dažu voltu spriegumu pie ieejas sprieguma 12 ... 50V. Šādu pārveidotāju izejas strāva ir atkarīga no slodzes pieprasījuma, kas savukārt nosaka pārveidotāja shēmu.

Cits angļu valodas nosaukums chopper buks pārveidotājam. Viena no šī vārda tulkošanas iespējām ir pārtraucējs. Tehniskajā literatūrā buks pārveidotāju dažreiz sauc par “cirtēju”. Pagaidām tikai atcerieties šo terminu.

Papildināt vai palielināt angļu valodas terminoloģiju

Šo pārveidotāju izejas spriegums ir lielāks par ieeju. Piemēram, ar 5 V ieejas spriegumu var iegūt izeju līdz 30 V, un ir iespējama tās vienmērīga regulēšana un stabilizācija. Boost pārveidotājus bieži sauc par pastiprinātājiem.

Universālie pārveidotāji - SEPIC

Šo pārveidotāju izejas spriegums tiek turēts iepriekš noteiktā līmenī ar ieejas spriegumu gan augstāku par ieeju, gan zemāku. Tas ir ieteicams gadījumos, kad ieejas spriegums var ievērojami atšķirties. Piemēram, automašīnā akumulatora spriegums var mainīties starp 9 ... 14 V, un jūs vēlaties iegūt stabilu 12 V spriegumu.

Apgrieztie pārveidotāji - apgrieztā pārveidotāji

Šo pārveidotāju galvenā funkcija ir iegūt reversās polaritātes izejas spriegumu attiecībā pret enerģijas avotu. Ļoti ērti gadījumos, kad, piemēram, nepieciešama bipolāra uzturs lai ieslēgtu op-amp.

Visus šos pārveidotājus var stabilizēt vai nestabilizēt, izejas spriegumu var galvaniski savienot ar ieeju vai veikt spriegumu galvanisku izolāciju. Tas viss ir atkarīgs no konkrētās ierīces, kurā pārveidotājs tiks izmantots.

Lai turpinātu diskusiju par DC / DC pārveidotājiem, vismaz vajadzētu aplūkot teoriju.

Smalcinātāja pārveidotājs - buks tipa pārveidotājs

Tā funkcionālā shēma ir parādīta attēlā zemāk. Bultas uz vadiem norāda straumju virzienu.

2. att. Smalcinātāja stabilizatora funkcionālā shēma

Ieejas spriegums Uin tiek pielietots ieejas filtram - kondensatoram Cin. VT tranzistors tiek izmantots kā galvenais elements, tas veic augstfrekvences strāvas pārslēgšanu. Tā varētu būt MOSFET struktūras tranzistors, IGBT nu parastais bipolārais tranzistors. Papildus šīm detaļām ķēdē ir izlādes diode VD un izejas filtrs - LCout, no kura spriegums nonāk slodzē Rн.

Ir viegli redzēt, ka slodze ir savienota virknē ar elementiem VT un L. Tāpēc ķēde ir konsekventa. Kā rodas nepietiekams spriegums?

Impulsa platuma modulācija - PWM

Vadības ķēde ģenerē taisnstūrveida impulsus ar nemainīgu frekvenci vai nemainīgu periodu, kas būtībā ir viena un tā pati lieta. Šie impulsi ir parādīti 3. attēlā.

3. att. Kontroles impulsi

Šeit t ir impulsa laiks, tranzistors ir atvērts, tp ir pauzes laiks, un tranzistors ir aizvērts. Ti / T attiecību sauc par darba cikla darba ciklu, ko apzīmē ar burtu D un izsaka %% vai vienkārši skaitļos. Piemēram, ja D ir vienāds ar 50%, izrādās, ka D = 0,5.

Tādējādi D var svārstīties no 0 līdz 1. Ar vērtību D = 1 atslēgas tranzistors ir pilnas vadītspējas stāvoklī, un, ja D = 0 ir izslēgtā stāvoklī, vienkārši runājot, tas ir aizvērts. Ir viegli uzminēt, ka pie D = 50% izejas spriegums būs vienāds ar pusi no ieejas.

Ir diezgan acīmredzami, ka izejas sprieguma regulēšana notiek, mainoties vadības impulsa t platumam un faktiski mainot koeficientu D. Šo regulēšanas principu sauc par impulsa platuma modulēts PWM (PWM). Gandrīz visos komutācijas barošanas avotos izejas spriegums tiek stabilizēts tieši ar PWM palīdzību.

Diagrammās, kas parādītas 2. un 6. attēlā, PWM ir “paslēpts” taisnstūros ar uzrakstu “Control circuit”, kas veic dažas papildu funkcijas. Piemēram, tas var būt vienmērīgs izejas sprieguma sākums, tālvadības ieslēgšana vai pārveidotāja aizsardzība pret īssavienojumu.

Kopumā pārveidotāji tika izmantoti tik plaši, ka uzņēmumi, kas ražo elektroniskos komponentus, kas ir paredzēti PWM kontrolieriem, visos gadījumos. Diapazons ir tik liels, ka, lai tos uzskaitītu, jums būs nepieciešama visa grāmata. Tāpēc nevienam nerodas montēt pārveidotājus uz diskrētiem elementiem vai kā viņi bieži saka par "vaļēju pulveri".

Turklāt mazas ietilpības gatavus pārveidotājus par nelielu cenu var iegādāties Aliexpress vai Ebay. Tajā pašā laikā, lai uzstādītu amatieriskā dizainā, pietiek ar to, lai pielodētu ieejas un izejas vadus pie plates, un iestatītu nepieciešamo izejas spriegumu.

Bet atpakaļ pie 3. attēla. Šajā gadījumā koeficients D nosaka, cik daudz laika būs atvērts (1. fāze) vai slēgts (2. fāze). atslēgas tranzistors. Par šīm divām fāzēm jūs varat iedomāties diagrammu divos skaitļos. Skaitļi NERĀDĪT tos elementus, kas šajā fāzē netiek izmantoti.

4. att. 1. fāze

Kad tranzistors ir atvērts, strāva no strāvas avota (galvaniskā šūna, akumulators, taisngriezis) iziet caur induktīvo droseļvārstu L, slodzi Rн un uzlādes kondensatora Cout. Šajā gadījumā caur slodzi plūst strāva, kondensators Cout un induktors L uzkrāj enerģiju. Strāvas iL pakāpeniski palielinās, ietekmē induktora induktivitātes efektu. Šo posmu sauc par sūknēšanu.

Pēc tam, kad slodze uz spriegumu sasniedz iestatīto vērtību (ko nosaka vadības ierīces iestatījumi), tranzistors VT aizveras un ierīce pāriet uz otro fāzi - izlādes fāzi. Slēgtais tranzistors attēlā vispār netiek parādīts, it kā tas neeksistētu. Bet tas nozīmē tikai to, ka tranzistors ir slēgts.

5. att. 2. fāze

Kad tranzistors VT ir aizvērts, induktorā enerģija netiek papildināta, jo strāvas avots ir atvienots. Induktivitātei L ir tendence novērst strāvas (pašindukcijas), kas plūst caur induktora tinumu, lieluma un virziena maiņu.

Tāpēc strāva nevar uzreiz apstāties un aizveras caur diodes slodzes ķēdi. Sakarā ar to VD diode tiek saukta par bitu. Kā likums, šī ir ātrgaitas Schottky diode. Pēc 2. fāzes kontroles perioda ķēde pārslēdzas uz 1. fāzi, process tiek atkārtots vēlreiz. Maksimālais spriegums pie aplūkotās shēmas izejas var būt vienāds ar ieeju un ne vairāk. Lai iegūtu izejas spriegumu, kas ir lielāks par ieejas spriegumu, tiek izmantoti paaugstināšanas pārveidotāji.

Jāatzīmē, ka patiesībā ne viss ir tik vienkārši, kā rakstīts iepriekš: tiek pieņemts, ka visas sastāvdaļas ir perfektas, t.i. ieslēgšana un izslēgšana notiek bez kavēšanās, un aktīvā pretestība ir nulle. Praktiski ražojot šādas shēmas, ir jāņem vērā daudzas nianses, jo daudz kas ir atkarīgs no izmantoto komponentu kvalitātes un instalācijas parazītiskās kapacitātes. Tikai par tik vienkāršu detaļu kā droseļvārsts (labi, tikai stieples spole!) Var uzrakstīt vairāk nekā vienu rakstu.

Pagaidām ir tikai jāatceras induktivitātes vērtība, kas nosaka divus smalcinātāja darbības režīmus. Ar nepietiekamu induktivitāti pārveidotājs darbosies nepārtrauktas strāvas režīmā, kas ir pilnīgi nepieņemams enerģijas avotiem.

Ja induktivitāte ir pietiekami liela, tad darbs notiek nesaraujamu strāvu režīmā, kas ļauj izmantot izejas filtrus, lai iegūtu pastāvīgu spriegumu ar pieņemamu pulsācijas līmeni. Nepārtrauktās strāvas režīmā darbojas arī pastiprināšanas pārveidotāji, kas tiks aprakstīti turpmāk.

Lai nedaudz palielinātu efektivitāti, VD izlādes diode tiek aizstāta ar MOSFET tranzistoru, kuru īstajā laikā atver vadības ķēde. Šādus pārveidotājus sauc par sinhroniem. To izmantošana ir pamatota, ja pārveidotāja jauda ir pietiekami liela.

Paātriniet vai palieliniet palielināšanas pārveidotājus

Boost pārveidotāji galvenokārt tiek izmantoti zemsprieguma strāvas padevei, piemēram, no divām līdz trim baterijām, un dažām sastāvdaļām ir nepieciešama 12 ... 15 V ar mazu strāvas patēriņu. Diezgan bieži pastiprinātāja pārveidotāju īsi un skaidri sauc par vārdu “pastiprinātājs”.

6. att. Spiediena pārveidotāja funkcionālā diagramma

Ieejas spriegums Uin tiek pielietots ieejas filtram Cin un pievienots virknei savienotam induktors L un pārslēdzošais tranzistors VT. Ar tranzistora spoles un aizplūšanas savienojuma punktu ir savienota diode VD. Slodze Rн un šunta kondensators Cout ir savienoti ar otru diodes spaili.

Transistoru VT kontrolē ar vadības ķēdi, kas ģenerē stabilu frekvences vadības signālu ar regulējamu darba ciklu D tādā pašā veidā, kā aprakstīts iepriekš smalcinātāja shēmas aprakstā (3. att.). VD diode pareizajā laikā bloķē slodzi no atslēgas tranzistora.

Kad atslēgas tranzistors ir atvērts, spoles L labās puses izeja ir savienota ar barošanas avota Uin negatīvo polu. Pieaugošā strāva (ietekmē induktivitātes ietekme) no enerģijas avota plūst caur spoli un atvērtu tranzistoru, spolē tiek uzkrāta enerģija.

Šajā laikā VD diode bloķē slodzi un izejas kondensatoru no atslēgas ķēdes, tādējādi novēršot izejas kondensatora izlādi caur atvērtu tranzistoru. Slodzi šajā brīdī darbina enerģija, kas uzkrāta kondensatora izgriezumā. Dabiski, ka spriegums visā izejas kondensators samazinās.

Tiklīdz izejas spriegums kļūst nedaudz zemāks par norādīto (to nosaka vadības ķēdes iestatījumi), atslēgas tranzistors VT tiek aizvērts, un induktorā uzkrātā enerģija uzlādē kondensatoru Cout caur diodi VD, kas baro slodzi. Šajā gadījumā spoles L pašindukcijas EMF pievieno ieejas spriegumam un pārnes uz slodzi, tāpēc izejas spriegums ir lielāks par ieejas spriegumu.

Kad izejas spriegums sasniedz iestatīto stabilizācijas līmeni, vadības ķēdē tiek atvērts tranzistors VT, un process tiek atkārtots no enerģijas uzkrāšanas fāzes.

Universālie pārveidotāji - SEPIC (viena gala primārā induktora pārveidotājs vai pārveidotājs ar asimetriski noslogotu primāro induktivitāti).

Šādus pārveidotājus galvenokārt izmanto, ja slodzei ir maza jauda, ​​un ieejas spriegums lielākā vai mazākā mērā mainās attiecībā pret izeju.

7. att. SEPIC pārveidotāja funkcionālā diagramma

Tas ir ļoti līdzīgs paaugstināšanas pārveidotāja shēmai, kas parādīta 6. attēlā, bet tai ir papildu elementi: kondensators C1 un spole L2. Tieši šie elementi nodrošina pārveidotāja darbību zemsprieguma režīmā.

SEPIC pārveidotājus izmanto gadījumos, kad ieejas spriegums ir ļoti atšķirīgs. Piemērs ir no 4 V līdz 35 V līdz 1,23 V līdz 32 V Boost Buck sprieguma paaugstināšanas / samazināšanas pārveidotāja regulators. Tieši zem šī nosaukuma ķīniešu veikalos tiek pārdots pārveidotājs, kura shēma ir parādīta 8. attēlā (noklikšķiniet, lai palielinātu attēlu).

8. att. SEPIC pārveidotāja shematiska diagramma

9. attēlā parādīts tāfeles izskats ar galveno elementu apzīmējumu.

9. att. SEPIC pārveidotāja parādīšanās

Attēlā parādītas galvenās daļas saskaņā ar 7. attēlu. Jums jāpievērš uzmanība divu spoļu L1 L2 klātbūtnei. Balstoties uz šo funkciju, var noteikt, ka tieši tas ir SEPIC pārveidotājs.

Plātnes ieejas spriegums var būt diapazonā no 4 ... 35V. Šajā gadījumā izejas spriegumu var noregulēt 1,23 ... 32 V robežās. Pārveidotāja darbības frekvence ir 500 KHz. Ar nelielu izmēru 50 x 25 x 12 mm tāfele nodrošina jaudu līdz 25 vatiem. Maksimālā izejas strāva līdz 3A.

Bet šeit būtu jāpiebilst. Ja izejas spriegums ir iestatīts uz 10 V, tad izejas strāva nedrīkst būt augstāka par 2,5 A (25 W). Ar izejas spriegumu 5V un maksimālo strāvu 3A, jauda būs tikai 15W. Galvenais šeit nav pārspīlēt: vai nu nepārsniedziet maksimālo pieļaujamo jaudu, vai arī nepārsniedziet pieļaujamo strāvu.

Skatīt arī: Barošanas bloki - darbības princips

Boriss Aladyshkin