Μετατροπείς DC-DC

Για την τροφοδοσία διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών, οι μετατροπείς DC / DC χρησιμοποιούνται ευρέως. Χρησιμοποιούνται σε υπολογιστικές συσκευές, συσκευές επικοινωνίας, διάφορα κυκλώματα ελέγχου και αυτοματισμού κ.λπ.

Τροφοδοτικά μετασχηματιστή

Στις παραδοσιακές πηγές τροφοδοσίας του μετασχηματιστή, η τάση του δικτύου μετατρέπεται με τη χρήση ενός μετασχηματιστή, που συνήθως χαμηλώνει, στην επιθυμητή τιμή. Υποβιβασμός διορθωμένο από μια γέφυρα δίοδος και εξομαλύνεται με φίλτρο πυκνωτών. Εάν είναι απαραίτητο, μετά τον ανορθωτή τοποθετείται σταθεροποιητής ημιαγωγού.

Τα τροφοδοτικά μετασχηματιστών είναι συνήθως εξοπλισμένα με γραμμικούς σταθεροποιητές. Υπάρχουν τουλάχιστον δύο πλεονεκτήματα τέτοιων σταθεροποιητών: είναι ένα μικρό κόστος και ένας μικρός αριθμός εξαρτημάτων στην ιμάντα. Αυτά τα πλεονεκτήματα όμως καταναλώνονται από χαμηλή απόδοση, καθώς ένα σημαντικό μέρος της τάσης εισόδου χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του τρανζίστορ ελέγχου, το οποίο είναι εντελώς απαράδεκτο για την τροφοδοσία φορητών ηλεκτρονικών συσκευών.

Μετατροπείς DC / DC

Εάν ο εξοπλισμός τροφοδοτείται από γαλβανικά κύτταρα ή μπαταρίες, τότε η μετατροπή τάσης στο επιθυμητό επίπεδο είναι δυνατή μόνο με τη βοήθεια μετατροπέων DC / DC.

Η ιδέα είναι πολύ απλή: μια σταθερή τάση μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη τάση, κατά κανόνα, με συχνότητα αρκετών δεκάδων ή και εκατοντάδων kilohertz, αυξάνεται (μειώνεται) και στη συνέχεια διορθώνεται και τροφοδοτείται στο φορτίο. Αυτοί οι μετατροπείς ονομάζονται συχνά παλμοί.

Ένα παράδειγμα είναι ο μετατροπέας ώθησης από 1,5V σε 5V, ακριβώς η τάση εξόδου ενός υπολογιστή USB. Ένας παρόμοιος μετατροπέας ισχύος πωλείται στο Aliexpress.

Το Σχ. 1. Μετατροπέας 1.5V / 5V

Οι μετατροπείς παλμών είναι ικανοποιητικοί επειδή έχουν υψηλή απόδοση, σε ποσοστό 60..90%. Ένα άλλο πλεονέκτημα των μετατροπέων παλμών είναι ένα ευρύ φάσμα τάσεων εισόδου: η τάση εισόδου μπορεί να είναι χαμηλότερη από την τάση εξόδου ή πολύ υψηλότερη. Γενικά, οι μετατροπείς DC / DC μπορούν να χωριστούν σε διάφορες ομάδες.

Ταξινόμηση μετατροπέων

Βήμα-βήμα ή buck

Η τάση εξόδου αυτών των μετατροπέων είναι, κατά κανόνα, χαμηλότερη από την είσοδο: χωρίς ειδικές απώλειες για τη θέρμανση του τρανζίστορ ελέγχου, μπορείτε να πάρετε μια τάση μόνο μερικών βολτ σε τάση εισόδου 12 ... 50V. Το ρεύμα εξόδου τέτοιων μετατροπέων εξαρτάται από τη ζήτηση του φορτίου, το οποίο με τη σειρά του καθορίζει το κύκλωμα του μετατροπέα.

Μια άλλη αγγλική ονομασία για τον μετατροπέα buck. Μια από τις επιλογές για τη μετάφραση αυτής της λέξης είναι ένας διακόπτης. Στην τεχνική βιβλιογραφία, ο μετατροπέας buck ονομάζεται μερικές φορές "chopper". Προς το παρόν, απλά θυμηθείτε αυτόν τον όρο.

Βελτίωση ή ενίσχυση της αγγλικής ορολογίας

Η τάση εξόδου αυτών των μετατροπέων είναι υψηλότερη από την είσοδο. Για παράδειγμα, με τάση εισόδου 5V, μπορεί να επιτευχθεί έξοδος μέχρι 30V και είναι δυνατή η ομαλή ρύθμιση και σταθεροποίηση. Οι ενισχυτές μετατροπής καλούνται συχνά ενισχυτές.

Universal μετατροπείς - SEPIC

Η τάση εξόδου αυτών των μετατροπέων διατηρείται σε προκαθορισμένο επίπεδο με τάση εισόδου τόσο υψηλότερη από την είσοδο όσο και χαμηλότερη. Συνιστάται σε περιπτώσεις όπου η τάση εισόδου μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Για παράδειγμα, σε ένα αυτοκίνητο, η τάση της μπαταρίας μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 9 ... 14V και πρέπει να έχετε σταθερή τάση 12V.

Ανατροπείς μετατροπείς - μετατροπέας μετατροπής

Η κύρια λειτουργία αυτών των μετατροπέων είναι να αποκτήσουν την τάση εξόδου της αντίστροφης πολικότητας σε σχέση με την πηγή ισχύος. Πολύ βολικό στις περιπτώσεις που απαιτείται διπολική διατροφή, για παράδειγμα για να τροφοδοτήσετε τον ενισχυτή.

Όλοι αυτοί οι μετατροπείς μπορούν να σταθεροποιηθούν ή να μη σταθεροποιηθούν, η τάση εξόδου μπορεί να είναι γαλβανικά συνδεδεμένη με την είσοδο ή να έχει γαλβανική απομόνωση των τάσεων. Όλα εξαρτώνται από τη συγκεκριμένη συσκευή στην οποία θα χρησιμοποιηθεί ο μετατροπέας.

Προκειμένου να προχωρήσουμε στην περαιτέρω συζήτηση των DC / DC μετατροπέων, θα πρέπει τουλάχιστον να ασχοληθούμε με τη θεωρία.

Μετατροπέας μετατροπέα κοπής - μετατροπέας τύπου buck

Το λειτουργικό διάγραμμα του εμφανίζεται στο παρακάτω σχήμα. Τα βέλη στα σύρματα δείχνουν την κατεύθυνση των ρευμάτων.

Εικ. 2. Λειτουργικό διάγραμμα του σταθεροποιητή κοπής

Η τάση εισόδου Uin εφαρμόζεται στο φίλτρο εισόδου - πυκνωτής Cin. Το τρανζίστορ VT χρησιμοποιείται ως στοιχείο κλειδιού και εκτελεί μεταγωγή ρεύματος υψηλής συχνότητας. Θα μπορούσε να είναι Τρανζίστορ δομής MOSFET, IGBT είτε συμβατικό διπολικό τρανζίστορ. Εκτός από αυτές τις λεπτομέρειες, το κύκλωμα περιέχει μια δίοδο εκκένωσης VD και ένα φίλτρο εξόδου - LCout, από το οποίο η τάση εισέρχεται στο φορτίο Rn.

Είναι εύκολο να δείτε ότι το φορτίο συνδέεται σε σειρά με τα στοιχεία VT και L. Συνεπώς, το κύκλωμα είναι συνεπές. Πώς συμβαίνει η υπο-τάση;

Ρύθμιση πλάτους παλμού - PWM

Το κύκλωμα ελέγχου παράγει ορθογώνια παλμούς με σταθερή συχνότητα ή σταθερή περίοδο, η οποία είναι ουσιαστικά το ίδιο πράγμα. Αυτοί οι παλμοί παρουσιάζονται στο σχήμα 3.

Εικ. 3. Έλεγχοι παλμών

Εδώ t είναι ο χρόνος παλμού, το τρανζίστορ είναι ανοικτό, tp είναι ο χρόνος παύσης και το τρανζίστορ είναι κλειστό. Ο λόγος ti / T ονομάζεται κύκλος λειτουργίας κύκλου λειτουργίας, ο οποίος υποδηλώνεται με το γράμμα D και εκφράζεται σε %% ή απλά σε αριθμούς. Για παράδειγμα, με D ίση με 50%, αποδεικνύεται ότι D = 0,5.

Έτσι, το D μπορεί να κυμαίνεται από 0 έως 1. Με μια τιμή D = 1, το τρανζίστορ κλειδί βρίσκεται σε κατάσταση πλήρους αγωγιμότητας και σε D = 0 σε κατάσταση διακοπής, απλά μιλώντας, είναι κλειστή. Είναι εύκολο να υποθέσουμε ότι στο D = 50% η τάση εξόδου θα είναι ίση με το ήμισυ της εισόδου.

Είναι προφανές ότι η ρύθμιση της τάσης εξόδου συμβαίνει λόγω μεταβολής του πλάτους του παλμού ελέγχου t και στην πραγματικότητα της αλλαγής του συντελεστή Δ. Αυτή η αρχή της ρύθμισης καλείται PWM με διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM). Σε σχεδόν όλες τις πηγές τροφοδοσίας, ακριβώς με τη βοήθεια του PWM, η τάση εξόδου σταθεροποιείται.

Στα διαγράμματα που φαίνονται στα Σχήματα 2 και 6, το PWM είναι "κρυμμένο" στα ορθογώνια με την επιγραφή "Circuit Control", η οποία εκτελεί ορισμένες πρόσθετες λειτουργίες. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι μια ομαλή εκκίνηση της τάσης εξόδου, απομακρυσμένη ενεργοποίηση ή προστασία του μετατροπέα από βραχυκύκλωμα.

Σε γενικές γραμμές, οι μετατροπείς χρησιμοποιούνταν τόσο ευρέως ώστε οι εταιρείες που παράγουν ηλεκτρονικά εξαρτήματα να είναι διατεταγμένες για ελεγκτές PWM για όλες τις περιπτώσεις. Η σειρά είναι τόσο μεγάλη που μόνο για να τις απαριθμήσετε θα χρειαστείτε ένα ολόκληρο βιβλίο. Επομένως, δεν συμβαίνει σε κανέναν να συναρμολογεί μετατροπείς σε διακριτά στοιχεία, ή όπως συχνά λένε σε "χαλαρή σκόνη".

Επιπλέον, έτοιμοι μεταποιητές μικρής χωρητικότητας μπορούν να αγοραστούν σε Aliexpress ή Ebay για μια μικρή τιμή. Ταυτόχρονα, για εγκατάσταση σε ερασιτεχνικό σχεδιασμό, αρκεί να κολλήσετε τα καλώδια εισόδου και εξόδου στην πλακέτα και να ρυθμίσετε την απαιτούμενη τάση εξόδου.

Αλλά πίσω στο σχήμα μας 3. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής D καθορίζει πόσο χρόνο θα είναι ανοιχτός (φάση 1) ή κλειστός (φάση 2) βασικό τρανζίστορ. Για αυτές τις δύο φάσεις, μπορείτε να φανταστείτε το διάγραμμα σε δύο αριθμούς. Τα στοιχεία ΔΕΝ Δείχνουν τα στοιχεία που δεν χρησιμοποιούνται σε αυτή τη φάση.

Σχήμα 4. Φάση 1

Όταν το τρανζίστορ είναι ανοιχτό, το ρεύμα από την πηγή ισχύος (γαλβανική κυψέλη, μπαταρία, ανορθωτής) διέρχεται μέσω επαγωγικού πνιγμού L, φορτίου Rn και πυκνωτή φόρτισης Cout. Την ίδια στιγμή, ρέει ρεύμα διαμέσου του φορτίου, ο πυκνωτής Cout και ο επαγωγέας L συσσωρεύουν ενέργεια. Το ρεύμα iL αυξάνεται σταδιακά, επηρεάζει το αποτέλεσμα της επαγωγής του επαγωγέα. Αυτή η φάση ονομάζεται άντληση.

Αφού η τάση στο φορτίο φθάσει στην καθορισμένη τιμή (που καθορίζεται από τις ρυθμίσεις της συσκευής ελέγχου), το τρανζίστορ VT κλείνει και η συσκευή μετακινείται στη δεύτερη φάση - τη φάση εκφόρτισης. Το κλειστό τρανζίστορ στο σχήμα δεν φαίνεται καθόλου, σαν να μην υπήρχε. Αλλά αυτό σημαίνει μόνο ότι το τρανζίστορ είναι κλειστό.

Εικ. 5. Φάση 2

Όταν το τρανζίστορ VT είναι κλειστό, δεν υπάρχει αναπλήρωση ενέργειας στον πηνίο, καθώς η πηγή ισχύος είναι αποσυνδεδεμένη. Η επαγωγή L τείνει να αποτρέψει μια αλλαγή στο μέγεθος και την κατεύθυνση του ρεύματος (αυτό-επαγωγή) που ρέει μέσω της περιέλιξης του τυμπάνου.

Επομένως, το ρεύμα δεν μπορεί να σταματήσει αμέσως και να κλείσει μέσω του κυκλώματος φορτίου διόδου. Εξαιτίας αυτού, η δίοδος VD ονομάζεται bit. Κατά κανόνα, πρόκειται για δίοδο Schottky υψηλής ταχύτητας. Μετά την περίοδο ελέγχου της φάσης 2, το κύκλωμα μεταβαίνει στη φάση 1, η διαδικασία επαναλαμβάνεται ξανά. Η μέγιστη τάση στην έξοδο του εξεταζόμενου κυκλώματος μπορεί να είναι ίση με την είσοδο και όχι περισσότερο. Για να επιτευχθεί τάση εξόδου μεγαλύτερη από την τάση εισόδου, χρησιμοποιούνται μετατροπείς ώθησης.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην πραγματικότητα, δεν είναι όλα τόσο απλά όπως γράφτηκε παραπάνω: υποτίθεται ότι όλα τα συστατικά είναι τέλεια, δηλ. η ενεργοποίηση και η απενεργοποίηση γίνεται χωρίς καθυστέρηση και η ενεργή αντίσταση είναι μηδενική. Κατά την πρακτική κατασκευή τέτοιων συστημάτων, πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλές αποχρώσεις, καθώς πολλά εξαρτώνται από την ποιότητα των χρησιμοποιούμενων συνιστωσών και την παρασιτική χωρητικότητα συναρμολόγησης. Μόνο για μια τόσο απλή λεπτομέρεια όπως ένα γκάζι (καλά, απλά ένα πηνίο καλώδιο!), Μπορείτε να γράψετε περισσότερα από ένα άρθρο.

Προς το παρόν, είναι απαραίτητο μόνο να υπενθυμίσουμε την τιμή της αυτεπαγωγής, η οποία καθορίζει δύο τρόπους λειτουργίας του ελικόπτερ. Με ανεπαρκή επαγωγή, ο μετατροπέας θα λειτουργεί σε λειτουργία ασυνεχούς ρεύματος, η οποία είναι εντελώς απαράδεκτη για πηγές ενέργειας.

Εάν η αυτεπαγωγή είναι αρκετά μεγάλη, τότε η εργασία συμβαίνει στη λειτουργία των αναλλοίωτων ρευμάτων, η οποία επιτρέπει τη χρήση των φίλτρων εξόδου για να επιτευχθεί μια σταθερή τάση με ένα αποδεκτό επίπεδο κυμάτωσης. Στη λειτουργία συνεχούς ρεύματος λειτουργούν επίσης μετατροπείς κλιμακωτής λειτουργίας, οι οποίοι θα περιγραφούν παρακάτω.

Για κάποια αύξηση της απόδοσης, η δίοδος εκκένωσης VD αντικαθίσταται από ένα τρανζίστορ MOSFET, το οποίο ανοίγει στο σωστό χρόνο από το κύκλωμα ελέγχου. Αυτοί οι μετατροπείς ονομάζονται σύγχρονοι. Η χρήση τους είναι δικαιολογημένη εάν η ισχύς του μετατροπέα είναι αρκετά μεγάλη.

Βελτιώστε ή ενισχύστε τους μετατροπείς ώθησης

Οι μετατροπείς Boost χρησιμοποιούνται κυρίως για τροφοδοσία χαμηλής τάσης, για παράδειγμα, από δύο έως τρεις μπαταρίες, ενώ μερικά εξαρτήματα απαιτούν 12 ... 15 V με χαμηλή κατανάλωση ρεύματος. Πολύ συχνά, ο μετατροπέας ώθησης ονομάζεται σύντομα και σαφώς η λέξη "ενισχυτής".

Σχ. 6. Λειτουργικό διάγραμμα του μετατροπέα ώθησης

Η τάση εισόδου Uin εφαρμόζεται στο φίλτρο εισόδου Cin και εφαρμόζεται στην συνδεδεμένη σειρά επαγωγέα L και το τρανζίστορ μεταγωγής VT. Μια δίοδος VD συνδέεται με το σημείο σύνδεσης του πηνίου και την αποστράγγιση του τρανζίστορ. Ένα φορτίο Rn και ένα Cout πυκνωτή διακλάδωσης συνδέονται με τον άλλο ακροδέκτη της διόδου.

Το τρανζίστορ VT ελέγχεται από ένα κύκλωμα ελέγχου που παράγει ένα σταθερό σήμα ελέγχου συχνότητας με ρυθμιζόμενο κύκλο λειτουργίας D, ακριβώς όπως περιγράφεται παραπάνω στην περιγραφή του κυκλώματος τεμαχισμού (Σχήμα 3). Η δίοδος VD στο σωστό χρόνο αποκλείει το φορτίο από το βασικό τρανζίστορ.

Όταν το κλειδί τρανζίστορ είναι ανοιχτό, η δεξιά έξοδος του πηνίου L συνδέεται στον αρνητικό πόλο της τροφοδοσίας Uin. Το αυξανόμενο ρεύμα (το αποτέλεσμα της επαγωγικότητας επηρεάζει) από την πηγή ισχύος ρέει μέσω του πηνίου και ενός ανοικτού τρανζίστορ, συσσωρεύεται ενέργεια στο πηνίο.

Αυτή τη στιγμή, η δίοδος VD αποκλείει το φορτίο και τον πυκνωτή εξόδου από το κύκλωμα κλειδιού, εμποδίζοντας έτσι την εκφόρτιση του πυκνωτή εξόδου μέσω ενός ανοικτού τρανζίστορ. Το φορτίο αυτή τη στιγμή τροφοδοτείται από την ενέργεια που αποθηκεύεται στον πυκνωτή Cout. Φυσικά, η τάση σε όλο τον πυκνωτή εξόδου πέφτει.

Μόλις η τάση εξόδου γίνει ελαφρώς χαμηλότερη από την καθορισμένη τιμή (που καθορίζεται από τις ρυθμίσεις κυκλώματος ελέγχου), κλείνει το κλειδί τρανζίστορ VT και η ενέργεια που αποθηκεύεται στον επαγωγέα επαναφορτίζει τον πυκνωτή Cout μέσω της διόδου VD, η οποία τροφοδοτεί το φορτίο. Σε αυτή την περίπτωση, το EMF αυτοεπικοινωνίας του πηνίου L προστίθεται στην τάση εισόδου και μεταφέρεται στο φορτίο, επομένως, η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου.

Όταν η τάση εξόδου φθάσει στο επίπεδο σταθεροποίησης, το κύκλωμα ελέγχου ανοίγει το τρανζίστορ VT και η διαδικασία επαναλαμβάνεται από τη φάση αποθήκευσης ενέργειας.

Μετατροπείς γενικής χρήσης - SEPIC (μετατροπέας ή μετατροπέας πρωτοταγούς επαγωγού ενός άκρου με ασυμμετρικά φορτισμένη πρωτογενή επαγωγή).

Αυτοί οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται κυρίως όταν το φορτίο έχει χαμηλή ισχύ και η τάση εισόδου μεταβάλλεται σε σχέση με την έξοδο σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό.

Εικ. 7. Λειτουργικό διάγραμμα του μετατροπέα SEPIC

Είναι πολύ παρόμοιο με το κύκλωμα μετατροπέα ώθησης που φαίνεται στο σχήμα 6, αλλά έχει πρόσθετα στοιχεία: τον πυκνωτή C1 και το πηνίο L2. Αυτά τα στοιχεία εξασφαλίζουν τη λειτουργία του μετατροπέα στη λειτουργία υποβιβασμού.

Οι μετατροπείς SEPIC χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου η τάση εισόδου ποικίλει ευρέως. Ένα παράδειγμα είναι ο 4V-35V έως 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down ρυθμιστής μετατροπέα. Με το όνομα αυτό πωλείται ένας μετατροπέας σε κινεζικά καταστήματα, το κύκλωμα του οποίου φαίνεται στο σχήμα 8 (κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση).

Εικ. 8. Σχηματικό διάγραμμα του μετατροπέα SEPIC

Το σχήμα 9 δείχνει την εμφάνιση της σανίδας με τον προσδιορισμό των κύριων στοιχείων.

Εικ. 9. Εμφάνιση του μετατροπέα SEPIC

Το σχήμα δείχνει τα κύρια μέρη σύμφωνα με το σχήμα 7. Θα πρέπει να προσέξετε την παρουσία δύο σπειρών L1 L2. Βάσει αυτής της δυνατότητας, μπορεί να διαπιστωθεί ότι αυτός είναι ακριβώς ο μετατροπέας SEPIC.

Η τάση εισόδου της κάρτας μπορεί να κυμαίνεται από 4 ... 35V. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση εξόδου μπορεί να ρυθμιστεί στο 1,23 ... 32V. Η συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα είναι 500KHz. Με μικρό μέγεθος 50 x 25 x 12mm, ο πίνακας παρέχει ισχύ έως 25 watt. Μέγιστο ρεύμα εξόδου μέχρι 3Α.

Αλλά εδώ πρέπει να γίνει μια παρατήρηση. Εάν η τάση εξόδου έχει ρυθμιστεί σε 10V, τότε το ρεύμα εξόδου δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από 2,5A (25W). Με τάση εξόδου 5V και μέγιστο ρεύμα 3Α, η ισχύς θα είναι μόνο 15W. Το κύριο ζήτημα δεν είναι να το παρακάνετε: είτε να μην υπερβαίνετε τη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ ή να μην υπερβείτε το επιτρεπόμενο ρεύμα.

Δείτε επίσης: Εναλλαγή τροφοδοτικών - αρχή λειτουργίας

Μπόρις Αλαντίσκιν