Convertoare DC-DC

Pentru a alimenta diverse echipamente electronice, convertoarele DC / DC sunt foarte utilizate. Sunt utilizate în dispozitive de calcul, dispozitive de comunicare, diverse circuite de control și automatizare etc.

Surse de alimentare pentru transformator

În sursele tradiționale de transformare, tensiunea rețelei este convertită folosind un transformator, cel mai adesea scăzut, la valoarea dorită. tensiune redusă rectificat de o punte de diodă și netezită de un filtru condensator. Dacă este necesar, după redresare este plasat un stabilizator cu semiconductor.

Sursele de alimentare ale transformatorului sunt de obicei echipate cu stabilizatori liniari. Există cel puțin două avantaje ale unor astfel de stabilizatori: este un cost mic și un număr mic de piese în ham. Dar aceste avantaje sunt consumate de eficiență scăzută, deoarece o parte semnificativă a tensiunii de intrare este utilizată pentru încălzirea tranzistorului de control, ceea ce este complet inacceptabil pentru alimentarea dispozitivelor electronice portabile.

Convertoare DC / DC

Dacă echipamentul este alimentat de celule sau baterii galvanice, atunci conversia tensiunii la nivelul dorit este posibilă doar cu ajutorul convertoarelor DC / DC.

Ideea este destul de simplă: o tensiune constantă este transformată în tensiune alternativă, de regulă, cu o frecvență de câteva zeci și chiar sute de kilohertz, aceasta crește (scade), apoi este rectificată și furnizată sarcinii. Astfel de convertori sunt adesea numiți puls.

Un exemplu este convertorul de impuls de la 1.5V la 5V, doar tensiunea de ieșire a unui computer USB. Un convertor de putere similar este vândut pe Aliexpress.

Fig. 1. Convertor 1.5V / 5V

Convertizoarele de impulsuri sunt bune prin faptul că au o eficiență ridicată, în limita a 60..90%. Un alt avantaj al convertoarelor de impuls este o gamă largă de tensiuni de intrare: tensiunea de intrare poate fi mai mică decât tensiunea de ieșire sau mult mai mare. În general, convertoarele DC / DC pot fi împărțite în mai multe grupuri.

Clasificarea convertoarelor

Coborâre sau buck

Tensiunea de ieșire a acestor convertoare, de regulă, este mai mică decât intrarea: fără pierderi speciale pentru încălzirea tranzistorului de comandă, puteți obține o tensiune de doar câțiva volți la o tensiune de intrare de 12 ... 50V. Curentul de ieșire al acestor convertoare depinde de cererea sarcinii, care la rândul său determină circuitul convertizorului.

Un alt nume în limba engleză pentru convertorul de bucăți chopper. Una dintre opțiunile pentru traducerea acestui cuvânt este un întreruptor. În literatura tehnică, convertorul de buck este numit uneori „chopper”. Deocamdată, amintiți-vă doar de acest termen.

Accelerarea sau stimularea terminologiei engleze

Tensiunea de ieșire a acestor convertoare este mai mare decât intrarea. De exemplu, cu o tensiune de intrare de 5V, poate fi obținută o ieșire de până la 30V, iar reglarea și stabilizarea sa lină sunt posibile. Convertoarele de creștere sunt adesea numite boostere.

Convertoare universale - SEPIC

Tensiunea de ieșire a acestor convertoare este menținută la un nivel prestabilit, cu o tensiune de intrare atât mai mare decât cea de intrare și mai mică. Este recomandat în cazurile în care tensiunea de intrare poate varia semnificativ. De exemplu, într-o mașină, tensiunea bateriei poate varia între 9 ... 14V și trebuie să obțineți o tensiune stabilă de 12V.

Convertoare inversoare - convertor inversor

Principala funcție a acestor convertoare este de a obține tensiunea de ieșire a polarității inversă în raport cu sursa de alimentare. Foarte convenabil în cazurile în care este necesară nutriția bipolară, de exemplu pentru a alimenta op-amperiul.

Toate aceste convertoare pot fi stabilizate sau nestabilizate, tensiunea de ieșire poate fi conectată galvanic la intrare sau are izolare galvanică a tensiunilor. Totul depinde de dispozitivul specific în care va fi folosit convertorul.

Pentru a trece la discuțiile ulterioare despre convertoarele DC / DC, cel puțin ar trebui să ne ocupăm de teorie.

Chopper down converter - tip buck converter

Diagrama sa funcțională este prezentată în figura de mai jos. Săgețile de pe fire indică direcția curenților.

Fig. 2. Diagrama funcțională a stabilizatorului de tocător

Tensiunea de intrare Uin este aplicată filtrului de intrare - condensator Cin. Tranzistorul VT este folosit ca element cheie, efectuează comutarea curentului de înaltă frecvență. Ar putea fi Tranzistor de structură MOSFET, IGBT sau tranzistor bipolar convențional. Pe lângă aceste detalii, circuitul conține o diodă de descărcare VD și un filtru de ieșire - LCout, din care tensiunea intră în sarcina Rн.

Este ușor de observat că sarcina este conectată în serie cu elementele VT și L. Prin urmare, circuitul este consecvent. Cum apare undervoltage?

Modulația lățimii impulsului - PWM

Circuitul de control generează impulsuri dreptunghiulare cu o frecvență constantă sau o perioadă constantă, care este în esență același lucru. Aceste impulsuri sunt prezentate în figura 3.

Fig. 3. Control impulsuri

Aici este timpul pulsului, tranzistorul este deschis, tp este timpul de pauză și tranzistorul este închis. Raportul ti / T se numește ciclu de îndatorire, indicat prin litera D și este exprimat în%% sau pur și simplu în număr. De exemplu, cu D egală cu 50%, se dovedește că D = 0,5.

Astfel, D poate varia de la 0 la 1. Cu o valoare de D = 1, tranzistorul cheie se află într-o stare de conducere completă, iar la D = 0 într-o stare de oprire, pur și simplu vorbind, este închis. Este ușor de ghicit că la D = 50% tensiunea de ieșire va fi egală cu jumătate din intrare.

Este destul de evident că reglarea tensiunii de ieșire are loc datorită unei modificări a lățimii pulsului de control t și, de fapt, a unei modificări a coeficientului D. Acest principiu de reglare este denumit latimea pulsului modulat PWM (PWM). În aproape toate sursele de alimentare cu comutare, tocmai cu ajutorul PWM tensiunea de ieșire este stabilizată.

În diagramele prezentate în figurile 2 și 6, PWM este „ascuns” în dreptunghiurile cu inscripția „Control circuit”, care îndeplinește unele funcții suplimentare. De exemplu, poate fi o pornire lină a tensiunii de ieșire, pornirea de la distanță sau protecția convertorului împotriva scurtcircuitului.

În general, convertoarele erau atât de utilizate pe scară largă încât companiile producătoare de componente electronice aranjate pentru controlerele PWM pentru toate ocaziile. Gama este atât de mare încât doar pentru a le enumera va fi nevoie de o carte întreagă. Prin urmare, nu se întâmplă nimănui să asambleze convertoare pe elemente discrete sau cum se spune adesea pe „pudră liberă”.

Mai mult, convertoarele de capacitate mică pot fi cumpărate de la Aliexpress sau Ebay pentru un preț mic. În același timp, pentru instalarea într-un design amator, este suficient să lipați firele de intrare și ieșire pe placă și să setați tensiunea de ieșire necesară.

Dar revenind la figura noastră 3. În acest caz, coeficientul D determină cât timp va fi deschis (faza 1) sau închis (faza 2) tranzistor cheie. Pentru aceste două faze, puteți imagina diagrama în două cifre. Cifrele NU Arată acele elemente care nu sunt utilizate în această fază.

Fig. 4. Faza 1

Când tranzistorul este deschis, curentul de la sursa de alimentare (celulă galvanică, baterie, redresoare) trece printr-o sufocare inductivă L, o sarcină Rн și un condensator de încărcare Cout. În același timp, un curent curge prin sarcină, condensatorul Cout și inductorul L acumulează energie. Actualul iL crește treptat, efectul inductanței inductorului afectează. Această fază se numește pompare.

După ce tensiunea la sarcină atinge valoarea setată (determinată de setările dispozitivului de control), tranzistorul VT se închide și dispozitivul se mută în a doua fază - faza de descărcare. Tranzistorul închis în figură nu este deloc arătat, ca și cum nu ar exista. Dar asta înseamnă doar că tranzistorul este închis.

Fig. 5. Faza 2

Când tranzistorul VT este închis, nu există reîncărcare a energiei în inductor, deoarece sursa de alimentare este deconectată. Inductanța L tinde să împiedice modificarea mărimii și direcției curentului (auto-inducție) care curge prin înfășurarea inductorului.

Prin urmare, curentul nu se poate opri instantaneu și se închide prin circuitul de încărcare a diodei. Din această cauză, dioda VD se numește bit. De regulă, aceasta este o diodă Schottky de mare viteză. După perioada de control a fazei 2, circuitul trece în faza 1, procesul se repetă din nou. Tensiunea maximă la ieșirea circuitului considerat poate fi egală cu intrarea și nu mai mult. Pentru a obține o tensiune de ieșire mai mare decât tensiunea de intrare, se folosesc convertoare de impuls.

Trebuie menționat că, de fapt, nu totul este la fel de simplu ca cel scris mai sus: se presupune că toate componentele sunt perfecte, adică. pornirea și oprirea se produce fără întârziere, iar rezistența activă este zero. În fabricarea practică a unor astfel de scheme, trebuie luate în considerare multe nuanțe, deoarece depinde mult de calitatea componentelor utilizate și de capacitatea parazitară a instalației. Doar despre un detaliu atât de simplu precum clapeta de accelerație (bine, doar o bobină de sârmă!), Puteți scrie mai mult de un articol.

Deocamdată, este necesar să reamintim doar valoarea inductanței, care determină două moduri de funcționare a tocătorului. Cu inductanță insuficientă, convertorul va funcționa în modul curent continuu, ceea ce este complet inacceptabil pentru sursele de alimentare.

Dacă inductanța este suficient de mare, atunci lucrarea are loc în modul curent continuu, care permite utilizarea filtrelor de ieșire pentru a obține o tensiune constantă cu un nivel acceptabil de ondulare. În modul curent continuu, de asemenea, funcționează convertoarele pas, care vor fi descrise mai jos.

Pentru o oarecare creștere a eficienței, dioda de descărcare VD este înlocuită de un tranzistor MOSFET, care este deschis la momentul potrivit de circuitul de control. Astfel de convertoare sunt numite sincrone. Utilizarea lor este justificată dacă puterea convertorului este suficient de mare.

Creșterea sau îmbunătățirea convertoarelor de impuls

Convertoarele Boost sunt utilizate în principal pentru alimentarea cu tensiune joasă, de exemplu, de la două până la trei baterii, iar unele componente necesită 12 ... 15 V cu consum redus de curent. Destul de des, convertorul de impulsuri este numit scurt și clar cuvântul „rapel”.

Fig. 6. Diagrama funcțională a convertorului de impuls

Tensiunea de intrare Uin este aplicată filtrului de intrare Cin și aplicată la conectarea în serie inductor L și comutare VT tranzistor. O diodă VD este conectată la punctul de conectare al bobinei și la scurgerea tranzistorului. La celălalt terminal al diodei sunt conectate o sarcină Rн și un condensator de șunt.

Tranzistorul VT este controlat de un circuit de control care generează un semnal de control al frecvenței stabil cu un ciclu de reglare D reglabil, în același mod descris mai sus în descrierea circuitului de tocător (Fig. 3). Dioda VD la momentul potrivit blochează încărcarea tranzistorului cheie.

Când tranzistorul cu cheie este deschis, ieșirea din dreapta a bobinei L este conectată la polul negativ al sursei de alimentare Uin. Curentul care crește (efectul inductanței afectează) din sursa de energie curge prin bobină și un tranzistor deschis, energia este acumulată în bobină.

În acest moment, dioda VD blochează sarcina și condensatorul de ieșire din circuitul cheii, împiedicând astfel descărcarea condensatorului de ieșire printr-un tranzistor deschis. Încărcarea în acest moment este alimentată de energia stocată în condensatorul Cout. În mod firesc, tensiunea din condensatorul de ieșire scade.

De îndată ce tensiunea de ieșire devine puțin mai mică decât cea specificată (determinată de setările circuitului de control), tranzistorul VT cheie se închide, iar energia stocată în inductor reîncărcă condensatorul Cout prin dioda VD, care alimentează sarcina. În acest caz, EMF de autoinducție al bobinei L este adăugat la tensiunea de intrare și transferat la sarcină, prin urmare, tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare.

Când tensiunea de ieșire atinge nivelul stabilit de stabilizare, circuitul de control deschide tranzistorul VT, iar procesul se repetă din faza de stocare a energiei.

Convertoare universale - SEPIC (convertor cu inductor primar cu un singur capăt sau convertor cu inductanță primară încărcată asimetric).

Astfel de convertoare sunt utilizate mai ales atunci când sarcina are o putere mică, iar tensiunea de intrare se modifică în raport cu ieșirea într-o măsură mai mare sau mai mică.

Fig. 7 Diagrama funcțională a convertorului SEPIC

Este foarte similar cu circuitul convertizorului de impulsuri prezentat în figura 6, dar are elemente suplimentare: condensatorul C1 și bobina L2. Aceste elemente asigură funcționarea convertorului în modul de sub tensiune.

Convertoarele SEPIC sunt utilizate în cazurile în care tensiunea de intrare variază foarte mult. Un exemplu este regulatorul convertizorului de trecere în sus / în jos a tensiunii Buck de la 4V-35V la 1,23V-32V. Sub acest nume, un convertor este vândut în magazinele chineze, al căror circuit este prezentat în figura 8 (faceți clic pe imagine pentru a-l mări).

Fig. 8. Schemă a convertorului SEPIC

Figura 9 arată aspectul plăcii cu desemnarea elementelor principale.

Fig. 9. Apariția SEPIC Converter

Figura arată principalele părți în conformitate cu figura 7. Ar trebui să fiți atenți la prezența a două bobine L1 L2. Pe baza acestei caracteristici, se poate determina că acesta este tocmai convertorul SEPIC.

Tensiunea de intrare a plăcii poate fi în intervalul 4 ... 35V. În acest caz, tensiunea de ieșire poate fi reglată în limita a 1,23 ... 32V. Frecvența de funcționare a convertorului este de 500 KHz. Cu o dimensiune mică de 50 x 25 x 12mm, placa asigură o putere de până la 25 de wați. Curent maxim de ieșire până la 3A.

Dar aici trebuie făcută o observație. Dacă tensiunea de ieșire este setată la 10V, atunci curentul de ieșire nu poate fi mai mare de 2,5A (25W). Cu o tensiune de ieșire de 5V și un curent maxim de 3A, puterea va fi de numai 15W. Principalul lucru aici este să nu exagerați: fie nu depășiți puterea maximă admisă, fie nu depășiți curentul admis.

Vezi și: Surse de comutare - principiu de funcționare

Boris Aladyshkin