DC-DC Converters

Untuk kuasa pelbagai peralatan elektronik, penukar DC / DC sangat banyak digunakan. Ia digunakan dalam peranti pengkomputeran, peranti komunikasi, pelbagai litar kawalan dan automasi, dan sebagainya.

Bekalan kuasa transformer

Dalam bekalan kuasa pengubah tradisional, voltan sesalur kuasa ditukar menggunakan pengubah, paling sering diturunkan, kepada nilai yang dikehendaki. Undervoltage diperbetulkan oleh jambatan dioda dan dilapisi oleh penapis kapasitor. Jika perlu, penstabil semikonduktor diletakkan selepas penerus.

Bekalan kuasa transformer biasanya dilengkapi dengan penstabil linier. Terdapat sekurang-kurangnya dua kelebihan penstabil seperti itu: ia adalah kos yang kecil dan sebilangan kecil bahagian dalam memanfaatkan. Tetapi kelebihan ini dimanfaatkan oleh kecekapan yang rendah, kerana sebahagian besar voltan masukan digunakan untuk memanaskan transistor kawalan, yang benar-benar tidak dapat diterima untuk menggerakkan peranti elektronik mudah alih.

DC / DC Converters

Jika peralatan dikuasakan oleh sel galvanik atau bateri, maka penukaran voltan ke tahap yang dikehendaki hanya mungkin dengan bantuan penukar DC / DC.

Idea ini agak mudah: voltan malar ditukar kepada voltan berselang, sebagai peraturan, dengan kekerapan beberapa puluhan atau bahkan beratus-kilo kilohertz, ia naik (menurun), dan kemudian diperbaiki dan diberi makan kepada beban. Penukar sedemikian sering dipanggil nadi.

Contohnya ialah penukar rangsangan dari 1.5V hingga 5V, hanya voltan keluaran komputer USB. Pengubah kuasa yang sama dijual pada Aliexpress.

Rajah. 1. 1.5V / 5V penukar

Penukar Pulse adalah baik kerana mereka mempunyai kecekapan yang tinggi, dalam lingkungan 60..90%. Satu lagi kelebihan penukar denyut adalah pelbagai voltan masukan: voltan masukan boleh lebih rendah daripada voltan keluaran atau lebih tinggi. Secara umum, penukar DC / DC boleh dibahagikan kepada beberapa kumpulan.

Klasifikasi penukar

Langkah-down atau buck

Voltan output penukar ini, sebagai peraturan, adalah lebih rendah daripada input: tanpa kehilangan khas untuk pemanasan transistor kawalan, anda boleh mendapatkan voltan hanya beberapa volt dengan voltan input 12 ... 50V. Arus output penukar sedemikian bergantung pada permintaan beban, yang seterusnya menentukan litar penukar.

Satu lagi nama Inggeris untuk penukar buck helikopter. Salah satu pilihan untuk menterjemahkan perkataan ini adalah pemutus. Dalam kesusasteraan teknikal, penukar buck kadang-kadang dipanggil "helikopter". Buat masa ini, ingatlah istilah ini.

Melangkah atau meningkatkan istilah bahasa Inggeris

Voltan output penukar ini lebih tinggi daripada input. Sebagai contoh, dengan voltan input 5V, output sehingga 30V boleh diperolehi, lebih-lebih lagi, ia boleh dikawal dan dikekalkan secara berterusan. Pertukaran penukar sering dipanggil penggalak.

Universal Converters - SEPIC

Voltan output penukar ini disimpan pada tahap yang telah ditetapkan dengan voltan masukan yang lebih tinggi daripada input dan lebih rendah. Adalah disyorkan dalam kes-kes di mana voltan masukan boleh berubah dengan ketara. Sebagai contoh, di dalam kereta, voltan bateri boleh berubah antara 9 ... 14V, dan anda perlu mendapatkan voltan stabil 12V.

Penukaran penyongsang - pembalik penyongsang

Fungsi utama penukar ini adalah untuk mendapatkan voltan output polariti terbalik berbanding dengan sumber kuasa. Sangat mudah dalam kes-kes yang memerlukan pemakanan bipolar, sebagai contoh untuk menggerakkan op-amp.

Semua penukar ini boleh stabil atau tidak stabil, voltan keluaran boleh terhubung ke input secara langsung atau mempunyai pengasingan tegangan galvanik. Ia semua bergantung kepada peranti tertentu di mana penukar akan digunakan.

Untuk meneruskan perbincangan lanjut mengenai penukar DC / DC, seseorang harus sekurang-kurangnya berurusan dengan teori tersebut.

Chopper ke bawah penukar - penukar jenis buck

Rajah fungsinya ditunjukkan dalam gambar di bawah. Anak panah pada wayar menunjukkan arah arus.

Rajah 2. Gambarajah fungsi penstabil pencincang

Voltan input Uin digunakan untuk penapis input - kapasitor Cin. Transistor VT digunakan sebagai elemen utama; ia menjalankan pensuisan arus frekuensi tinggi. Ia boleh MOSFET struktur transistor, IGBT sama ada transistor bipolar konvensional. Selain daripada butir-butir ini, litar mengandungi diode pelepasan VD dan penapis keluaran - LCout, dari mana voltan memasuki beban Rn.

Adalah mudah untuk melihat bahawa beban disambung secara siri dengan unsur-unsur VT dan L. Oleh itu, litar adalah konsisten. Bagaimanakah undervoltage berlaku?

Modulasi Lebar Pulse - PWM

Litar kawalan menjana denyut-denyut segi empat tepat dengan frekuensi tetap atau tempoh yang berterusan, yang pada dasarnya adalah perkara yang sama. Denyutan ini ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3. Mengawal denyutan

Di sini t adalah masa nadi, transistor terbuka, tp adalah masa jeda, dan transistor ditutup. Nisbah ti / T dipanggil kitaran tugas kitaran tugas, dilambangkan dengan huruf D dan dinyatakan dalam %% atau hanya dalam nombor. Sebagai contoh, dengan D sama dengan 50%, ternyata bahawa D = 0.5.

Oleh itu, D boleh berubah dari 0 ke 1. Dengan nilai D = 1, transistor utama berada dalam keadaan kekonduksian penuh, dan pada D = 0 dalam keadaan cut-off, hanya bercakap, ia ditutup. Adalah mudah untuk meneka bahawa pada D = 50% voltan keluaran akan sama dengan separuh input.

Adalah jelas bahawa peraturan voltan keluaran berlaku disebabkan perubahan dalam lebar nadi kawalan dan, sebenarnya, perubahan dalam pekali D. Prinsip peraturan ini dipanggil lebar denyutan dimodulasi PWM (PWM). Dalam hampir semua bekalan kuasa bertukar, tepat dengan bantuan PWM bahawa voltan output stabil.

Dalam gambarajah yang ditunjukkan dalam Rajah 2 dan 6, PWM "tersembunyi" dalam segi empat tepat dengan tulisan "Litar Kawalan", yang melakukan beberapa fungsi tambahan. Sebagai contoh, ia boleh menjadi permulaan yang lancar daripada voltan keluaran, penukaran jauh atau perlindungan penukar terhadap litar pintas.

Pada umumnya, penukar telah banyak digunakan oleh syarikat-syarikat yang menghasilkan komponen elektronik yang diatur untuk pengawal PWM untuk semua keadaan. Julatnya sangat besar, hanya untuk menyenaraikannya, anda memerlukan keseluruhan buku. Oleh itu, ia tidak berlaku kepada sesiapa sahaja untuk memasang penukar pada elemen diskret, atau kerana mereka sering mengatakan pada "serbuk longgar".

Lebih-lebih lagi, penukaran kapasiti kecil yang boleh dibeli di Aliexpress atau Ebay untuk harga yang kecil. Pada masa yang sama, untuk pemasangan dalam reka bentuk amatir, ia cukup untuk menyebarkan wayar input dan output ke papan, dan menetapkan voltan keluaran yang diperlukan.

Tetapi kembali kepada angka 3. Dalam kes ini, pekali D menentukan berapa banyak masa yang akan dibuka (fasa 1) atau ditutup (fasa 2) transistor utama. Untuk kedua-dua fasa ini, anda boleh membayangkan gambarajah dalam dua angka. Angka-angka TIDAK MEMAKAN unsur-unsur yang tidak digunakan dalam fasa ini.

Rajah 4. Fasa 1

Apabila transistor terbuka, arus dari sumber kuasa (sel galvanik, bateri, penerus) melepasi larangan induktif L, beban Rn, dan Cout kapasitor pengecasan. Pada masa yang sama, arus mengalir melalui beban, kapasitor Cout dan induktor L mengumpul tenaga. Semasa iL secara beransur-ansur meningkat, kesan induktansi induktor mempengaruhi. Fasa ini dipanggil pam.

Selepas voltan di beban mencapai nilai set (ditentukan oleh tetapan peranti kawalan), transistor VT akan ditutup dan peranti bergerak ke fasa kedua - fasa pembuangan. Transistor tertutup dalam angka tidak ditunjukkan sama sekali, seolah-olah ia tidak wujud. Tetapi ini hanya bermakna bahawa transistor ditutup.

Rajah 5. Fasa 2

Apabila transistor VT ditutup, tiada penambahan tenaga dalam induktor, kerana sumber kuasa diputuskan. Induktansi L cenderung untuk mengelakkan perubahan dalam magnitud dan arah arus (induksi diri) yang mengalir melalui penggulungan induktor.

Oleh itu, semasa tidak boleh berhenti serta-merta dan menutup melalui litar diod-beban. Kerana ini, diod VD dipanggil sedikit. Sebagai peraturan, ini adalah diod Schottky berkelajuan tinggi. Selepas tempoh kawalan fasa 2, litar beralih kepada fasa 1, prosesnya diulang lagi. Voltan maksimum pada output litar yang dipertimbangkan boleh sama dengan input, dan tidak lebih. Untuk mendapatkan voltan keluaran yang lebih besar daripada voltan input, gunakan penukar rangsangan.

Perlu diingatkan bahawa pada hakikatnya, tidak semuanya semudah yang ditulis di atas: diandaikan bahawa semua komponen adalah sempurna, iaitu. menghidupkan dan mematikan berlaku tanpa penangguhan, dan rintangan aktif adalah sifar. Dalam pembuatan praktikal skema sedemikian, banyak nuansa harus diambil kira, kerana banyak bergantung pada kualiti komponen yang digunakan dan kapasitansi parasit pemasangan. Hanya kira-kira butiran ringkas seperti pendikit (baik, hanya gegelung wayar!), Anda boleh menulis lebih daripada satu artikel.

Buat masa ini, hanya perlu mengingati nilai induktansinya, yang menentukan dua mod operasi helikopter itu. Dengan induktans yang tidak mencukupi, penukar akan beroperasi dalam mod semasa yang tidak berterusan, yang tidak dapat diterima sepenuhnya untuk sumber kuasa.

Sekiranya induktansinya cukup besar, maka kerja itu berlaku dalam mod semasa yang berterusan, yang membolehkan menggunakan penapis output untuk mendapatkan voltan malar dengan tahap ripple yang boleh diterima. Dalam mod semasa yang berterusan, penukar step-up juga berfungsi, yang akan diterangkan di bawah.

Bagi beberapa peningkatan kecekapan, diod pelepasan VD digantikan oleh transistor MOSFET, yang dibuka pada masa yang sesuai oleh litar kawalan. Penukar sedemikian dipanggil bersesuaian. Penggunaan mereka dibenarkan jika kuasa penukar cukup besar.

Melangkah atau menaikkan penukar rangsangan

Penukar penukar digunakan terutamanya untuk bekalan kuasa voltan rendah, contohnya, dari dua hingga tiga bateri, dan beberapa komponen memerlukan 12 ... 15 V dengan penggunaan semasa yang rendah. Selalunya, penukar rangsangan secara ringkas dan jelas disebut perkataan "booster".

Rajah 6. Gambarajah fungsi penukar rangsangan

Voltan masukan Uin digunakan pada penapis input Cin dan digunakan pada sambungan siri induktor L dan menukar transistor VT. VD diod disambungkan ke titik sambungan gegelung dan longkang transistor. Satu beban Rn dan sebuah kapasitor shunt Cout disambungkan ke terminal lain diod.

Transistor VT dikawal oleh litar kawalan yang menjana isyarat kawalan frekuensi yang stabil dengan kitaran tugas laras D, dengan cara yang sama seperti yang dinyatakan di atas dalam perihal litar helikopter (Rajah 3). Diod VD pada masa yang tepat menghalang beban dari transistor utama.

Apabila transistor utama terbuka, output kanan gegelung L disambungkan ke tiang negatif bekalan kuasa Uin. Peningkatan arus (kesan induktans mempengaruhi) dari sumber kuasa mengalir melalui gegelung dan transistor terbuka, tenaga terkumpul di gegelung.

Pada masa ini, diode VD menghalang beban dan kapasitor keluaran dari litar utama, dengan itu menghalang pelepasan kapasitor output melalui transistor terbuka. Beban pada masa ini dikuasakan oleh tenaga yang disimpan dalam kapasitor Cout. Sememangnya, voltan merentasi kapasitor keluaran jatuh.

Sebaik sahaja voltan keluaran menjadi sedikit lebih rendah daripada yang dinyatakan (ditentukan oleh tetapan litar kawalan), transistor utama VT ditutup, dan tenaga yang disimpan dalam induktor mengecas Cout kapasitor melalui diode VD, yang memberi makan beban. Dalam kes ini, EMF induksi diri gegelung L ditambah ke voltan masukan dan dipindahkan ke beban, oleh itu, voltan keluaran lebih besar daripada voltan masukan.

Apabila voltan keluaran mencapai tahap penstabilan yang ditetapkan, litar kawalan membuka transistor VT, dan prosesnya diulang dari fasa storan tenaga.

Penukar Universal - SEPIC (penukar utama induktor tunggal atau pengubah dengan induktansi utama asimetrik).

Penukar sedemikian digunakan terutamanya apabila beban mempunyai kuasa yang rendah, dan voltan masukan berubah berbanding dengan keluaran yang lebih besar atau lebih rendah.

Rajah 7. Rajah fungsional penukar SEPIC

Ia sangat serupa dengan litar penukar rangsangan yang ditunjukkan dalam Rajah 6, tetapi mempunyai elemen tambahan: kapasitor C1 dan gegelung L2. Ia adalah unsur-unsur yang memastikan operasi penukar dalam mod undervoltage.

Penukar SEPIC digunakan dalam kes-kes di mana voltan input berbeza-beza secara meluas. Contohnya ialah Voltan 4V-35V untuk 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter. Ia berada di bawah nama ini bahawa penukar dijual di kedai Cina, litar yang ditunjukkan dalam Rajah 8 (klik pada gambar untuk membesarkan).

Rajah 8. Rajah skematik penukar SEPIC

Rajah 9 menunjukkan kemunculan lembaga dengan penunjukan unsur-unsur utama.

Rajah 9. Rupa Penukar SEPIC

Angka ini menunjukkan bahagian utama mengikut Rajah 7. Anda perlu memberi perhatian kepada kehadiran dua gegelung L1 L2. Berdasarkan ciri ini, boleh ditentukan bahawa ini adalah tepat penukar SEPIC.

Voltan input lembaga boleh berada dalam julat 4 ... 35V. Dalam kes ini, voltan keluaran boleh diselaraskan dalam 1.23 ... 32V. Kekerapan operasi penukar adalah 500KHz. Dengan saiz kecil 50 x 25 x 12mm, lembaga menyediakan kuasa sehingga 25 watt. Arus keluaran maksimum sehingga 3A.

Tetapi di sini kata sepatutnya dibuat. Sekiranya voltan output ditetapkan kepada 10V, arus keluaran tidak boleh melebihi 2.5A (25W). Dengan voltan output 5V dan arus maksimum 3A, kuasa akan hanya 15W. Perkara utama di sini adalah untuk tidak melampaui: sama ada tidak melebihi kuasa yang dibenarkan maksimum, atau tidak melampaui arus yang dibenarkan.

Lihat juga: Menukar bekalan kuasa - prinsip operasi

Boris Aladyshkin