категории: Препоръчани статии » Практическа електроника
Брой преглеждания: 25599
Коментари към статията: 0

Прости трансформаторни импулсни преобразуватели

 

Много начинаещи бутове трудно определят вида на захранването, но не е толкова трудно. Основните методи за преобразуване на напрежението са да се използва една от двете опции на веригата:

  • трансформатор;

  • Трансформаторни захранвания.

Трансформаторни захранвания

От своя страна трансформаторите се различават по типа на веригата:

  • Електрическа мрежа, с трансформатор, работещ с честота 50 Hz;

  • Импулсен, с трансформатор, работещ на високи честоти (десетки хиляди Hz).

Импулсните вериги на захранвания могат да повишат общата ефективност на крайния продукт, като избягват статични загуби на линейни стабилизатори и други елементи.


Трансформаторни вериги

Ако има нужда от захранване от 220 V домакинско захранване, най-простите устройства могат да бъдат включени от захранвания, като се използват баластни елементи за понижаване на напрежението. Широко известен пример за такъв източник на енергия е баластна кондензаторна схема.

Без трансформаторно захранване
Трансформаторна верига

Въпреки това, има редица драйвери с вградена PWM контролер и ключ за захранване за изграждане на безформаторни импулсни преобразуватели LED крушки и други технологии.

Верига на LED лампата

В случай на захранване от източник на постоянен ток, например батерии или други галванични батерии, използвайте:

  • Линеен стабилизатор на напрежението (интегрален стабилизатор от тип KREN или L78xx със или без захранващ транзистор, параметричен стабилизатор от ценеров диод и транзистор)

  • Импулсен конвертор (стъпка надолу - BUCK, стъпка нагоре - BOOST или увеличаване - BUCK-BOOST)

Предимството на безформаторните захранващи устройства и преобразуватели са, както следва:

  • Не е необходимо да навивате трансформатора, преобразуването се извършва от дросела и клавишите;

  • Следствие от предишното са малките размери на източниците на енергия.

недостатъци:

  • Липсата на галванична изолация, в случай на неизправност на клавишите, води до появата на напрежение на първичния източник на енергия. Това е изключително важно, особено ако неговата роля се играе от 220 V мрежа;

  • Опасност от токов удар в резултат на галванично свързване;

  • Големите размери на индуктора на преобразуватели с висока мощност поставят под съмнение възможността за използване на тази топология на захранването. Със съпоставими показатели за тегло и размер можете да използвате трансформатор, галванично изолиран преобразувател.


Основните разновидности на превключващите преобразуватели на напрежение

В националната литература често се среща съкращението "IPPN", което означава: Импулсен преобразувател на напрежение (или увеличение или и двете)

Основните разновидности на превключващите преобразуватели на напрежение

Като основа могат да се разграничат три основни схеми.

1. IPPN1 - преобразувател за отваряне, в английската литература - BUCK DC CONVERTER или Step-down.

2. IPPN2 - Boost конвертор, в английската литература - BOOST DC CONVERTER или Step-up.

3. IPPN3 - Инвертиращ преобразувател с възможност за увеличаване и намаляване на напрежението, BUCK-BOOST DC CONVERTER.


Как работи импулсен преобразувател на долара?

Нека започнем с разглеждане на принципа на работа на първата схема - IPPN1.

 

Buck конвертор

В схемата могат да се разграничат две силови вериги:

1. "+" от източника на захранване се подава чрез частен ключ (транзистор от всякакъв тип на съответната проводимост) към Ln (дросел за съхранение), след това токът преминава през товара към "-" източника на захранване.

2. Втората верига се формира от диод Д, дроселова клапа Lн и свързан товар Rн.

Когато ключът е затворен, токът преминава по първичния кръг, токът протича през индуктора и в магнитното му поле се натрупва енергия. Когато изключим (отворете) ключа, енергията, съхранявана в намотката, се разсейва в товара, докато токът тече през втората верига.

Напрежението на изхода (товара) на такъв преобразувател е

Uout = Uin * Ku

Ku е коефициентът на преобразуване, който зависи от работния цикъл на управляващите импулси на превключвателя на захранването.

Ku = Uout / Uin

Работният цикъл "D" е съотношението на времето, когато ключът е отворен за периода на PWM. "D" може да приема стойности от 0 до 1.

ВАЖНО: За STI1 Ku = D. Това означава, че регулационните граници на този стабилизатор са приблизително равни - 0 ... Uout.

Период, работен цикъл и стойност на ШИМ

Изходното напрежение на такъв преобразувател е подобно по полярност на входното напрежение.


Как прави импулсен усилвател на преобразувателя на напрежението

IPPN2 - е в състояние да увеличи напрежението от захранващото напрежение до стойност десетки пъти по-висока от него. Схематично тя се състои от същите елементи като предишната.



Всеки преобразувател от този тип има в състава си три основни активни съставки:

  • Управление на ключ (биполярно, поле, IGBT, MOSFET транзистори);

  • Неконтролиран ключ (изправител диод);

  • Кумулативна индуктивност.

Преобразувател за усилване на импулса

Токът винаги тече през индуктивността, само неговата величина се променя.

За да разберете принципа на работа на този преобразувател, трябва да запомните закона за превключване на индуктора: "Токът през индуктора не може да се промени незабавно."

Това се причинява от феномен като ЕМП с самоиндукция или противо-ЕМП. Тъй като електромагнитното поле на индуктивността предотвратява рязката промяна на тока, бобината може да бъде представена като източник на енергия. Тогава в тази верига, когато ключът е затворен през намотката, започва да тече ток с голяма величина, но, както беше казано рязко, той не може да се увеличи.

Counter-EMF е явление, когато в краищата на намотката се появи EMF, противоположно на прилаганото. Ако представите това в диаграмата за по-голяма яснота, ще трябва да си представите индуктора под формата на източник на ЕМП.

Индуктор под формата на източник на ЕМП

Числото "1" показва състоянието на веригата, когато ключът е затворен. Моля, обърнете внимание, че източникът на захранване и символите EMF намотки са свързани последователно с положителните клеми, т.е. техните стойности на EMF се изваждат. В този случай индуктивността предотвратява преминаването на електрически ток или по-скоро забавя растежа му. С нарастването му, след определен постоянен интервал от време, стойността на брояча на ЕРС намалява, а токът през индуктивността се увеличава.


Лирично отклонение:

Стойността на ЕМП на самоиндукция, подобно на всеки друг ЕМП, се измерва във волта.

През този период основният ток тече по веригата: ключ за захранване на източник на индуктивност.

Когато ключът SA се отвори, верига 2. Ток започва да тече по такава верига: източник на захранване-индуктивност-диод-товар. Тъй като съпротивлението на натоварването, често много повече от съпротивлението на канала на затворен транзистор. В този случай отново - токът, протичащ през индуктивността, не може да се промени рязко, индуктивността винаги се стреми да поддържа посоката и величината на тока, следователно, противодействието на ЕМП се появява отново, но в обратна полярност.

Забележете как във втората диаграма се свързват полюсите на източника на захранване и източника на ЕМП, който замества намотката. Те са свързани последователно от противоположни полюси и стойностите на тези ЕРС се сумират.

Така се получава повишаване на напрежението.

По време на процеса на съхранение на индуктивна енергия натоварването се захранва от енергия, която преди това се е съхранявала в кондензатора за изглаждане.

Коефициентът на преобразуване в IPPN2 е

Ku = 1 / (1-D)

Както се вижда от формулата - колкото по-голям е D работният цикъл, толкова по-голямо е изходното напрежение. Полярността на изходната мощност е същата като входната за този тип преобразувател.


Как става инвертиращият преобразувател на напрежението

Инвертиращият преобразувател на напрежение е доста интересно устройство, тъй като може да работи както в режим на понижаване на напрежението, така и в режим на усилване. Струва си обаче да се има предвид, че полярността на изходното му напрежение е противоположна на входа, т.е. положителен потенциал е на общата жица.

Обръщане на преобразувател на напрежение

Обръщането се забелязва и в посоката, в която е включен диод D. Принципът на работа е малко подобен на IPPN2. В момента, когато ключът Т е затворен, настъпва процесът на натрупване на индуктивна енергия, мощността от източника не попада в товара поради диод D. Когато ключът е затворен, енергията на индуктивността започва да се разсейва в товара.

Токът продължава да тече през индуктивността, възниква ЕМП на самоиндукция, насочена по такъв начин, че в краищата на намотката се образува полярност, противоположна на първичния източник на енергия. Т.е. в кръстовището на излъчвателя на транзистора (източване, ако полеви транзистор), катодът на диода и края на намотката на бобината образува отрицателен потенциал. В противоположния край, съответно, е положителен.

Коефициентът на преобразуване IPPN3 е равен на:

Ku = D / (1-D)

Чрез прости замествания на коефициента на запълване във формулата определяме, че до стойност на D от 0,5, този преобразувател действа като преобразувател надолу, а отгоре - като нагоре преобразувател.


Как да контролирате такъв конвертор?

Възможно е да се опишат всички опции за конструиране на PWM контролери безкрайно, за това могат да бъдат написани няколко тома техническа литература. Искам да се огранича до изброяването на няколко прости опции:

1. Сглобете асиметрична мултивибраторна верига. Вместо VT3, транзисторът е свързан в IPPN веригите.

Обръщане на верига на преобразувател на напрежение

2. Малко по-сложен вариант, но по-стабилен по отношение на честотата е PWM на NE555 (кликнете върху снимката, за да я увеличите).

PWM на NE555

Правете промени по веригата, VT1 е транзистор, променяме веригата така, че на нейно място има IPPN транзистор.

3. Възможност за използване микроконтролер, така че можете да правите и много допълнителни функции, за начинаещи те ще работят добре AVR микроконтролери, Има чудесен видео урок за това.


данни

Превключването на преобразуватели на напрежение е много важна тема в индустрията на захранващите устройства за електронно оборудване. Такива схеми се използват навсякъде и наскоро, с нарастването на „домашно приготвено“ или както сега е модерно да се нарича „Направи си сам“ и популярността на уебсайта aliexpress, такива преобразуватели станаха особено популярни и в търсенето, можете да поръчате готова платка, която вече се е превърнала в класически конвертор за LM2596 и други подобни само за няколко долара, докато получавате възможността да регулирате напрежението или тока или и двете.

 

Преобразувател на напрежение на LM2596
Верига на преобразувател на напрежение

Друг популярен борд е mini-360

Преобразувател на напрежение

Може да забележите, че в тези схеми няма транзистор. Факт е, че той е вграден в чипа, освен него има PWM контролер, вериги за обратна връзка за стабилизиране на изходното напрежение и други. Тези вериги обаче могат да бъдат усилвани чрез инсталиране на допълнителен транзистор.

Ако се интересувате от проектирането на схема за вашите нужди, тогава можете да прочетете повече за съотношенията на дизайна в следната литература:

  • „Компоненти за изграждане на източници на енергия”, Михаил Бабурин, Алексей Павленко, група от компании на Symmetron

  • "Стабилизирани транзисторни преобразуватели" V.S. Moin, Energoatomizdat, М. 1986.

Вижте също на electrohomepro.com:

  • DC-DC преобразуватели
  • Какво е PWM контролер, как е подреден и работи, видове и схеми
  • RCD snubber - принцип на работа и пример за изчисление
  • Какво е напрежение, как да се понижи и повиши напрежението
  • Какво е индуктивно и капацитивно натоварване?

  •