DC-DC-omvandlare

För att driva olika elektroniska apparater används DC / DC-omvandlare mycket ofta. De används i datorenheter, kommunikationsenheter, olika styr- och automatiseringskretsar, etc.

Transformatorens strömförsörjning

I traditionella transformatorkraftförsörjningar konverteras nätspänningen av en transformator, som ofta sänks, till önskat värde. reducerad spänning korrigeras av en diodbro och jämnas ut med ett kondensatorfilter. Vid behov placeras en halvledarstabilisator efter likriktaren.

Transformatorens kraftaggregat är vanligtvis utrustade med linjära stabilisatorer. Det finns minst två fördelar med sådana stabilisatorer: det är en liten kostnad och ett litet antal delar i selen. Men dessa fördelar förbrukas av låg effektivitet, eftersom en betydande del av ingångsspänningen används för att värma styrtransistorn, vilket är helt oacceptabelt för att driva bärbara elektroniska enheter.

DC / DC-omvandlare

Om utrustningen drivs av galvaniska celler eller batterier är spänningskonvertering till önskad nivå endast möjlig med hjälp av DC / DC-omvandlare.

Idén är ganska enkel: en konstant spänning omvandlas till växelspänning, som regel med en frekvens på flera tiotals eller till och med hundratals kilohertz, den stiger (minskar), och sedan korrigeras och matas till lasten. Sådana omvandlare kallas ofta puls.

Ett exempel är boost-omvandlaren från 1,5V till 5V, bara utgångsspänningen på en USB-dator. En liknande kraftomvandlare säljs på Aliexpress.

Fig. 1. 1,5V / 5V-omvandlare

Pulsomvandlare är bra genom att de har hög effektivitet inom 60..90%. En annan fördel med pulsomvandlare är ett brett intervall av ingångsspänningar: ingångsspänningen kan vara lägre än utgångsspänningen eller mycket högre. Generellt sett kan DC / DC-omvandlare delas in i flera grupper.

Klassificering av omvandlare

Stig ner eller buck

Utgångsspänningen för dessa omvandlare är som regel lägre än ingången: utan speciella förluster för uppvärmning av styrtransistorn kan du få en spänning på bara några volt vid en ingångsspänning på 12 ... 50V. Utgångsströmmen för sådana omvandlare beror på belastningens behov, vilket i sin tur bestämmer omvandlarens kretsar.

Ett annat engelskt namn för chopper buck-omvandlaren. Ett av alternativen för att översätta detta ord är en brytare. I den tekniska litteraturen kallas pengaromvandlaren ibland en "chopper". För nu, kom bara ihåg den här termen.

Öka eller öka i engelska terminologin

Utgångsspänningen för dessa omvandlare är högre än ingången. Till exempel med en ingångsspänning på 5V kan en utgång på upp till 30V erhållas, dessutom kan den kontinuerligt regleras och stabiliseras. Boost-omvandlare kallas ofta boosters.

Universalomvandlare - SEPIC

Utgångsspänningen för dessa omvandlare hålls på en förutbestämd nivå med en ingångsspänning både högre än ingången och lägre. Rekommenderas i fall där ingångsspänningen kan variera avsevärt. Till exempel i en bil kan batterispänningen variera mellan 9 ... 14V, och du vill få en stabil spänning på 12V.

Invertera omvandlare - inverterande omvandlare

Huvudfunktionen för dessa omvandlare är att erhålla utgångsspänningen för omvänd polaritet relativt kraftkällan. Mycket bekvämt i till exempel fall där bipolär näring krävs för att driva op-amp.

Alla dessa omvandlare kan vara stabiliserade eller instabila, utgångsspänningen kan galvaniskt anslutas till ingången eller ha galvanisk isolering av spänningar. Det beror på den specifika enhet som konverteraren kommer att användas i.

För att gå vidare till den vidare diskussionen om DC / DC-omvandlare, bör man åtminstone ta itu med teorin.

Chopper down-omvandlare - omvandlare av typen buck

Dess funktionsdiagram visas i figuren nedan. Pilarna på trådarna anger strömningens riktning.

Fig. 2 Funktionsdiagram över hackarstabilisator

Ingångsspänningen Uin appliceras på ingångsfiltret - kondensator Cin. VT-transistorn används som ett nyckelelement, den utför högfrekvensströmbrytare. Det kan vara MOSFET-strukturtransistor, IGBT eller konventionell bipolär transistor. Utöver dessa detaljer innehåller kretsen en urladdningsdiod VD och ett utgångsfilter - LCout, från vilken spänningen kommer in i belastningen RN.

Det är lätt att se att lasten är ansluten i serie med elementen VT och L. Därför är kretsen konsekvent. Hur inträffar undervoltage?

Pulsbreddmodulering - PWM

Styrkretsen genererar rektangulära pulser med en konstant frekvens eller konstant period, vilket är väsentligen samma sak. Dessa pulser visas i figur 3.

Fig. 3 Kontrollpulser

Här är pulstiden, transistorn är öppen, tp är pausstiden och transistorn är stängd. Ti / T-förhållandet kallas arbetscykel-tjänstcykel, betecknad med bokstaven D och uttrycks i%% eller helt enkelt i siffror. Till exempel, med D lika med 50%, visar det sig att D = 0,5.

Således kan D variera från 0 till 1. Med ett värde på D = 1 är nyckeltransistorn i ett tillstånd av full konduktivitet, och vid D = 0 i ett avstängningstillstånd, helt enkelt talat, är den stängd. Det är lätt att gissa att vid D = 50% blir utgångsspänningen lika med halva ingången.

Det är ganska uppenbart att regleringen av utspänningen sker på grund av en förändring i bredden på styrpulsen t och i själva verket en förändring av koefficienten D. Denna princip för reglering kallas pulsbreddmodulerad PWM (PWM). I nästan alla växelströmförsörjningar är det exakt med hjälp av PWM att utgångsspänningen stabiliseras.

I diagrammen som visas i figurerna 2 och 6 är PWM "dold" i rektanglarna med inskriptionen "Kontrollkrets", som utför några ytterligare funktioner. Till exempel kan det vara en smidig start på utgångsspänningen, fjärranslutning eller skydd av omvandlaren mot kortslutning.

I allmänhet användes omvandlare så allmänt att företag som tillverkade elektroniska komponenter arrangerade för PWM-kontroller för alla tillfällen. Utbudet är så stort att bara för att lista dem behöver du en hel bok. Därför faller det inte till någon att montera omvandlare på diskreta element, eller som de ofta säger på "lös pulver".

Dessutom kan färdiga omvandlare med liten kapacitet köpas på Aliexpress eller Ebay för ett litet pris. Samtidigt är det tillräckligt för installation i en amatörmässig design att löda ingångs- och utgångstrådarna på kortet och ställa in den önskade utspänningen.

Men tillbaka till figuren 3. I detta fall bestämmer koefficienten D hur mycket tid som ska vara öppen (fas 1) eller stängd (fas 2) nyckeltransistor. För dessa två faser kan du föreställa dig diagrammet i två figurer. Siffrorna visar INTE de element som inte används i den här fasen.

Fig. 4 Fas 1

När transistorn är öppen passerar strömmen från kraftkällan (galvanisk cell, batteri, likriktare) genom en induktiv choke L, en last RN och en laddningskondensator Cout. I detta fall flyter en ström genom lasten, kondensatorn Cout och induktorn L ackumulerar energi. Nuvarande iL ökar gradvis, effekten av induktansen hos induktorn påverkas. Denna fas kallas pumpning.

När spänningen vid lasten når det inställda värdet (bestämt av inställningarna för styrenheten) stängs transistorn VT och enheten flyttar till den andra fasen - urladdningsfasen. Den stängda transistorn i figuren visas inte alls, som om den inte fanns. Men detta betyder bara att transistorn är stängd.

Fig. 5 Fas 2

När transistorn VT är stängd finns det ingen påfyllning av energi i induktorn, eftersom kraftkällan kopplas bort. Induktans L tenderar att förhindra en förändring i storleken och riktningen för strömmen (självinduktion) som strömmar genom induktorlindningen.

Därför kan strömmen inte stoppa direkt och stängs genom diodbelastningskretsen. På grund av detta kallas VD-dioden bit. Som regel är detta en höghastighets Schottky-diod. Efter kontrollperioden för fas 2 växlar kretsen till fas 1, processen upprepas igen. Den maximala spänningen vid utgången från den betraktade kretsen kan vara lika med ingången och inte mer. För att erhålla en utspänning som är större än ingångsspänningen används boost-omvandlare.

Det bör noteras att faktiskt inte allt är så enkelt som skrivet ovan: det antas att alla komponenter är perfekta, dvs. att slå på och stänga av sker utan dröjsmål, och det aktiva motståndet är noll. Vid den praktiska tillverkningen av sådana scheman måste många nyanser beaktas, eftersom mycket beror på kvaliteten på de använda komponenterna och installationens parasitkapacitet. Endast om en så enkel detalj som en gasreglage (ja, bara en trådspole!), Kan du skriva mer än en artikel.

För tillfället är det bara nödvändigt att återkalla värdet på induktansen, som bestämmer två driftsätt för hackaren. Med otillräcklig induktans fungerar omvandlaren i diskontinuerligt strömläge, vilket är helt oacceptabelt för kraftkällor.

Om induktansen är tillräckligt stor, sker arbetet i kontinuerligt strömläge, vilket gör det möjligt att använda utgångsfiltrarna för att få en konstant spänning med en acceptabel krusningsnivå. I läget för kontinuerlig ström fungerar steguppkonverterare också, vilket kommer att beskrivas nedan.

För viss effektivitetsökning ersätts VD-urladdningsdioden av en MOSFET-transistor, som öppnas vid rätt tidpunkt av styrkretsen. Sådana omvandlare kallas synkrona. Deras användning är motiverad om omvandlarens kraft är tillräckligt stor.

Step-up eller boost boost-omvandlare

Boost-omvandlare används främst för lågspänning, till exempel från två till tre batterier, och vissa komponenter kräver 12 ... 15 V med låg strömförbrukning. Ganska ofta kallas boostkonverteraren kort och tydligt ordet ”booster”.

Fig. 6 Funktionsdiagram över boost-omvandlare

Ingångsspänningen Uin appliceras på ingångsfiltret Cin och appliceras på den seriekopplade induktor L och omkopplartransistor VT. En diod VD är ansluten till kopplingspunkten för spolens och avloppet för transistorn. En last RN och en shuntkondensator Cout är anslutna till den andra terminalen på dioden.

Transistorn VT styrs av en styrkrets som genererar en stabil frekvensstyrsignal med en justerbar driftscykel D, på samma sätt som beskrivits ovan i beskrivningen av chopparkretsen (fig. 3). VD-dioden vid rätt tidpunkt blockerar belastningen från nyckeltransistorn.

När nyckeltransistorn är öppen, är spolens L högra sida ansluten till den negativa polen i strömförsörjningen Uin. Stigande ström (effekten av induktans påverkar) från kraftkällan flyter genom spolen och en öppen transistor, energi samlas i spolen.

Vid denna tidpunkt blockerar VD-dioden lasten och utgångskondensatorn från nyckelkretsen och förhindrar därmed utmatningen av utgångskondensatorn genom en öppen transistor. Lasten i detta ögonblick drivs av energin lagrad i kondensatorn Cout. Naturligtvis sjunker spänningen över utgångskondensatorn.

Så snart utgångsspänningen blir något lägre än det inställda värdet (bestämt av styrkretsinställningarna) stängs nyckeltransistorn VT och energin lagrad i induktorn laddar upp kondensatorn Cout genom dioden VD, som matar lasten. I detta fall läggs självinduktions EMF för spolen L till ingångsspänningen och överförs till belastningen, därför är utgångsspänningen större än ingångsspänningen.

När utgångsspänningen når den inställda stabiliseringsnivån öppnar styrkretsen transistorn VT, och processen upprepas från energilagringsfasen.

Universalomvandlare - SEPIC (en-slutad primärinduktoromvandlare eller omvandlare med asymmetriskt belastad primärinduktans).

Sådana omvandlare används huvudsakligen när belastningen har låg effekt och insignalsspänningen ändras i förhållande till utgången i större eller mindre utsträckning.

Fig. 7 Funktionsdiagram över SEPIC-omvandlaren

Den liknar mycket boost-konverterarkretsen som visas i figur 6, men har ytterligare element: kondensator C1 och spole L2. Det är dessa element som säkerställer omvandlarens drift i undervolvningsläge.

SEPIC-omvandlare används i fall där ingångsspänningen varierar mycket. Ett exempel är 4V-35V till 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter Regulator. Det är under detta namn som en omvandlare säljs i kinesiska butiker, vars krets visas i figur 8 (klicka på bilden för att förstora).

Fig. 8 Schematiskt diagram över SEPIC-omvandlaren

Figur 9 visar brädets utseende med beteckningen av huvudelementen.

Fig. 9 Utseende av SEPIC-omvandlaren

Figuren visar huvuddelarna i enlighet med figur 7. Du bör vara uppmärksam på förekomsten av två spolar L1 L2. Baserat på den här funktionen kan det fastställas att det just är SEPIC-omvandlaren.

Ingångsspänningen på kortet kan ligga i området 4 ... 35V. I detta fall kan utspänningen justeras inom 1,23 ... 32V. Omvandlarens driftsfrekvens är 500 kHz. Med en liten storlek på 50 x 25 x 12 mm ger kortet effekt upp till 25 watt. Maximal utgångsström upp till 3A.

Men här borde en kommentar göras. Om utgångsspänningen är inställd på 10V, kan utgångsströmmen inte vara högre än 2,5A (25W). Med en utgångsspänning på 5V och en maximal ström på 3A blir effekten endast 15W. Det viktigaste här är att inte överdriva det: antingen inte överskrida den maximala tillåtna effekten, eller inte gå längre än den tillåtna strömmen.

Se även: Byt strömförsörjning - driftsprincip

Boris Aladyshkin