Απλοί μετασχηματιστές τάσης παλμών χωρίς μετασχηματιστή

Πολλοί αρχάριοι χάμς δυσκολεύονται να προσδιορίσουν τον τύπο τροφοδοσίας, αλλά δεν είναι τόσο δύσκολο. Οι κύριες μέθοδοι μετατροπής τάσης είναι να χρησιμοποιήσετε μία από τις δύο επιλογές κυκλωμάτων:

• Μετασχηματιστής;

• Μετασχηματιστές χωρίς μετασχηματιστή.

Με τη σειρά τους, οι μετασχηματιστές διαφέρουν στον τύπο του κυκλώματος:

• Δίκτυο, με μετασχηματιστή που λειτουργεί σε συχνότητα 50 Hz.

• Παλμός, με μετασχηματιστή που λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες (δεκάδες χιλιάδες Hz).

Τα κυκλώματα παλμών των τροφοδοτικών μπορούν να αυξήσουν τη συνολική απόδοση του τελικού προϊόντος, αποφεύγοντας τις στατικές απώλειες γραμμικών σταθεροποιητών και άλλων στοιχείων.

Κυκλώματα μετασχηματιστή

Εάν υπάρχει ανάγκη τροφοδοσίας από οικιακή τροφοδοσία 220 V, οι απλούστερες συσκευές μπορούν να ενεργοποιηθούν από τροφοδοτικά χρησιμοποιώντας στοιχεία στραγγαλισμού για να μειώσουν την τάση. Ένα ευρέως γνωστό παράδειγμα τέτοιας πηγής ισχύος είναι ένα κύκλωμα πυκνωτή έρματος.

Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένοι οδηγοί με ενσωματωμένο Ελεγκτή PWM και ένα κλειδί ισχύος για την κατασκευή ενός μετασχηματιστή puls μετατροπέα παλμών, αυτά είναι πολύ κοινά σε LED λαμπτήρες και άλλες τεχνολογίες.

Σε περίπτωση παροχής ρεύματος από πηγή συνεχούς ρεύματος, για παράδειγμα μπαταρίες ή άλλες γαλβανικές μπαταρίες, χρησιμοποιήστε:

• Σταθεροποιητής γραμμικής τάσης (ενσωματωμένος σταθεροποιητής τύπου KREN ή L78xx με ή χωρίς τρανζίστορ τροφοδοσίας, παραμετρικός σταθεροποιητής από δίοδο zener και τρανζίστορ)

• Μετατροπέας παλμών (βήμα προς τα κάτω - BUCK, βήμα-up - BOOST ή step-up - BUCK-BOOST)

Το πλεονέκτημα των μετασχηματιστών και μετασχηματιστών χωρίς μετασχηματιστή έχει ως εξής:

• Δεν χρειάζεται να βυθιστεί ο μετασχηματιστής, η μετατροπή πραγματοποιείται από το γκάζι και τα πλήκτρα.

• Συνέπεια των προηγούμενων είναι οι μικρές διαστάσεις των πηγών ενέργειας.

Μειονεκτήματα:

• Η απουσία γαλβανικής απομόνωσης, σε περίπτωση δυσλειτουργίας των κλειδιών, οδηγεί στην εμφάνιση τάσης της κύριας πηγής ισχύος. Αυτό είναι κρίσιμο, ιδίως εάν ο ρόλος της παίζεται από ένα δίκτυο 220 V.

• Κίνδυνος ηλεκτροπληξίας, ως αποτέλεσμα της γαλβανικής σύζευξης.

• Οι μεγάλες διαστάσεις του πηνίου σε μετατροπείς υψηλής ισχύος θέτουν υπό αμφισβήτηση τη σκοπιμότητα χρήσης αυτής της τοπολογίας των τροφοδοτικών. Με συγκρίσιμους δείκτες βάρους και μεγέθους, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μετασχηματιστή, γαλβανικά απομονωμένο μετατροπέα.

Οι κύριες ποικιλίες μετατροπέων τάσης εναλλαγής

Στην εγχώρια βιβλιογραφία, συχνά συναντάται η σύντμηση "IPPN", η οποία σημαίνει: Pulse Step-down (ή step-up, ή και τα δύο) Μετατροπέας τάσης

Ως βάση, μπορούν να διακριθούν τρία βασικά συστήματα.

1. IPPN1 - Βήμα-προς-κάτω μετατροπέας, στην αγγλική βιβλιογραφία - BUCK DC CONVERTER ή Step-down.

2. IPPN2 - Μετατροπέας Boost, στην αγγλική βιβλιογραφία - BOOST DC CONVERTER ή Step-up.

3. IPPN3 - Μετατροπέας μετατροπής με δυνατότητα τόσο αύξησης όσο και μείωσης της τάσης, CONVERTER BUCK-BOOST DC.

Πώς λειτουργεί ένας παλλόμενος μετατροπέας buck;

Ας αρχίσουμε με την εξέταση της αρχής της λειτουργίας του πρώτου συστήματος - IPPN1.

 

Στο σχήμα, μπορούν να διακριθούν δύο κυκλώματα ισχύος:

1. Το "+" από την πηγή τροφοδοσίας παρέχεται μέσω ενός ιδιωτικού κλειδιού (τρανζίστορ οποιουδήποτε τύπου της αντίστοιχης αγωγιμότητας) στο Ln (τσοκ αποθήκευσης), τότε το ρεύμα ρέει μέσω του φορτίου στην πηγή ρεύματος "-".

2. Το δεύτερο κύκλωμα σχηματίζεται από διόδου Д, γκάζι Ln και συνδεδεμένο φορτίο Rn.

Όταν κλείσει το κλειδί, το ρεύμα περνάει κατά μήκος του πρωτεύοντος κυκλώματος, το ρεύμα ρέει διαμέσου του επαγωγέα και η ενέργεια συσσωρεύεται στο μαγνητικό του πεδίο. Όταν απενεργοποιούμε το κλειδί, η ενέργεια που αποθηκεύεται στο πηνίο διασκορπίζεται στο φορτίο, ενώ το ρεύμα ρέει μέσω του δεύτερου κυκλώματος.

Η τάση στην έξοδο (φορτίο) ενός τέτοιου μετατροπέα είναι

Uout = Uin * Ku

Ku είναι ο συντελεστής μετατροπής, ο οποίος εξαρτάται από τον κύκλο λειτουργίας των παλμών ελέγχου του διακόπτη ισχύος.

Ku = Uout / Uin

Ο κύκλος λειτουργίας "D" είναι ο λόγος του χρόνου κατά τον οποίο το κλειδί είναι ανοικτό στην περίοδο PWM. Το "D" μπορεί να λάβει τιμές από 0 έως 1.

ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ: Για STI1 Ku = D. Αυτό σημαίνει ότι τα όρια ρύθμισης αυτού του σταθεροποιητή είναι περίπου ίσα - 0 ... Uout.

Η τάση εξόδου ενός τέτοιου μετατροπέα είναι παρόμοια σε πολικότητα με την τάση εισόδου.

Πώς γίνεται μετατροπέας τάσης ώθησης παλμού

IPPN2 - είναι σε θέση να αυξήσει την τάση από την τάση τροφοδοσίας σε μια τιμή δεκάδες φορές υψηλότερη από αυτήν. Σχηματικά, αποτελείται από τα ίδια στοιχεία με τα προηγούμενα.

Οποιοσδήποτε μετατροπέας αυτού του τύπου έχει στη σύνθεσή της τρία κύρια δραστικά συστατικά:

• Διαχειριζόμενο κλειδί (Διπολικό, Πεδίο, IGBT, Τρανζίστορ MOSFET);

• Μη ελεγχόμενο πλήκτρο (διόδου ανορθωτή).

• Σωρευτική αυτεπαγωγή.

Το ρεύμα ρέει πάντα μέσω της αυτεπαγωγής, αλλά μόνο το μέγεθος του αλλάζει.

Για να κατανοήσετε την αρχή λειτουργίας αυτού του μετατροπέα, πρέπει να θυμηθείτε τον νόμο μεταγωγής για τον επαγωγέα: "Το ρεύμα μέσω του επαγωγέα δεν μπορεί να αλλάξει αμέσως".

Αυτό προκαλείται από ένα φαινόμενο όπως το EMF με αυτοεπαγωγή ή το αντίστροφο EMF. Δεδομένου ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της επαγωγής εμποδίζει μια απότομη αλλαγή στο ρεύμα, το πηνίο μπορεί να αναπαρασταθεί ως πηγή ισχύος. Στη συνέχεια, σε αυτό το κύκλωμα, όταν κλείνει το κλειδί μέσω του πηνίου, αρχίζει να ρέει ένα ρεύμα μεγάλου μεγέθους, αλλά, όπως ειπώθηκε, δεν μπορεί να αυξηθεί.

Το αντίθετο EMF είναι ένα φαινόμενο όταν στα άκρα του πηνίου ένα EMF φαίνεται αντίθετο από αυτό που εφαρμόζεται. Εάν το παρουσιάζετε στο διάγραμμα για λόγους σαφήνειας, θα πρέπει να φανταστείτε τον επαγωγέα με τη μορφή πηγής EMF.

Ο αριθμός "1" υποδεικνύει την κατάσταση του κυκλώματος όταν το κλειδί είναι κλειστό. Λάβετε υπόψη ότι η πηγή τροφοδοσίας και τα σύμβολα EMF σύμβολα συνδέονται σε σειρά με τους θετικούς ακροδέκτες, δηλ. οι τιμές EMF τους αφαιρούνται. Σε αυτή την περίπτωση, η αυτεπαγωγή εμποδίζει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος ή μάλλον επιβραδύνει την ανάπτυξή της. Καθώς αυξάνεται, μετά από ένα ορισμένο σταθερό χρονικό διάστημα, η τιμή του αντισταθμιστικού EMF μειώνεται και το ρεύμα αυξάνεται μέσω της αυτεπαγωγής.

Λυρική απόκλιση:

Η τιμή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (EMF) αυτοαπαγωγής, όπως κάθε άλλο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, μετράται σε Volts.

Κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου, το κύριο ρεύμα ρέει κατά μήκος του κυκλώματος: πηγή ισχύος-επαγωγή-κλειστό κλειδί.

Όταν ανοίξει το κλειδί SA, το κύκλωμα 2. Το ρεύμα αρχίζει να ρέει κατά μήκος ενός τέτοιου κυκλώματος: πηγή ισχύος-επαγωγή-δίοδος φορτίο. Δεδομένου ότι η αντίσταση φορτίου, συχνά πολύ περισσότερο από την αντίσταση κανάλι ενός κλειστού τρανζίστορ. Σε αυτή την περίπτωση, και πάλι - το ρεύμα που ρέει μέσω της αυτεπαγωγής δεν μπορεί να αλλάξει απότομα, η αυτεπαγωγή επιδιώκει πάντοτε να διατηρεί την κατεύθυνση και το μέγεθος του ρεύματος, επομένως, το αντίθετο EMF εμφανίζεται και πάλι, αλλά με αντίστροφη πολικότητα.

Παρατηρήστε πως στο δεύτερο διάγραμμα συνδέονται οι πόλοι της πηγή ενέργειας και της πηγής EMF που αντικαθιστά το πηνίο. Συνδέονται σε σειρά από αντίθετους πόλους και οι τιμές αυτών των EMF προστίθενται.

Έτσι, παρατηρείται αύξηση της τάσης.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αποθήκευσης ενέργειας επαγωγής, το φορτίο τροφοδοτείται από ενέργεια που προηγουμένως αποθηκεύτηκε στον εξομαλυντή πυκνωτή.

Ο συντελεστής μετατροπής στο IPPN2 είναι

Ku = 1 / (1-D)

Όπως μπορεί να φανεί από τον τύπο - το μεγαλύτερο Δ είναι ο κύκλος λειτουργίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση εξόδου. Η πολικότητα της ισχύος εξόδου είναι ίδια με την είσοδο για αυτόν τον τύπο μετατροπέα.

Πώς λειτουργεί ο μετατροπέας τάσης αναστροφής

Ο μετατροπέας τάσης αναστροφής είναι μια αρκετά ενδιαφέρουσα συσκευή, επειδή μπορεί να λειτουργήσει τόσο στη λειτουργία μείωσης τάσης όσο και στη λειτουργία προώθησης. Ωστόσο, αξίζει να ληφθεί υπόψη ότι η πολικότητα της τάσης εξόδου είναι αντίθετη προς την είσοδο, δηλ. θετικό δυναμικό είναι στο κοινό σύρμα.

Η αντιστροφή είναι επίσης αισθητή στην κατεύθυνση στην οποία είναι ενεργοποιημένη η δίοδος D. Η αρχή της λειτουργίας είναι λίγο παρόμοια με την IPPN2. Τη στιγμή που το κλειδί Τ είναι κλειστό, συμβαίνει η διαδικασία συσσώρευσης ενέργειας επαγωγής, η ισχύς από την πηγή δεν εισέρχεται στο φορτίο λόγω της διόδου Δ. Όταν κλείσει το κλειδί, η ενέργεια επαγωγής αρχίζει να διαχέεται στο φορτίο.

Το ρεύμα συνεχίζει να ρέει διαμέσου της αυτεπαγωγής, εμφανίζεται ένα EMF με αυτοεπαγωγή, κατευθυνόμενο με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζεται μια πολικότητα απέναντι από την κύρια πηγή ισχύος στα άκρα του πηνίου. Π.χ. στην διασταύρωση του πομπού του τρανζίστορ (αποστράγγιση, εάν πεδίο τρανζίστορ), η κάθοδος της διόδου και το τέλος της περιέλιξης του πηνίου σχηματίζουν αρνητικό δυναμικό. Στο αντίθετο άκρο, αντίστοιχα, είναι θετικό.

Ο συντελεστής μετατροπής IPPN3 είναι ίσος με:

Ku = D / (1-D)

Με απλές υποκαταστάσεις του παράγοντα πλήρωσης στη φόρμουλα, προσδιορίζουμε ότι μέχρι μια τιμή D 0.5, ο μετατροπέας αυτός λειτουργεί ως μετατροπέας προς τα κάτω, και από πάνω - σε έναν μετατροπέα προς τα πάνω.

Πώς να ελέγξετε έναν τέτοιο μετατροπέα;

Είναι δυνατόν να περιγράψουμε απεριόριστα όλες τις επιλογές για την κατασκευή των ελεγκτών PWM, για αυτό μπορούν να γραφούν αρκετοί όγκοι τεχνικής βιβλιογραφίας. Θέλω να περιορίσω τον εαυτό μου στην λίστα με μερικές απλές επιλογές:

1. Συναρμολογήστε ένα ασύμμετρο κύκλωμα πολλαπλών βημάτων. Αντί του VT3, ένα τρανζίστορ συνδέεται στα κυκλώματα IPPN.

2. Μια ελαφρώς πιο περίπλοκη επιλογή, αλλά πιο σταθερή όσον αφορά τη συχνότητα, είναι PWM στο NE555 (κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση).

Κάνετε αλλαγές στο κύκλωμα, το VT1 είναι ένα τρανζίστορ, αλλάζουμε το κύκλωμα έτσι ώστε στη θέση του να υπάρχει ένα τρανζίστορ IPPN.

3. Επιλογή για χρήση μικροελεγκτή, έτσι μπορείτε να κάνετε πολλές επιπλέον λειτουργίες, για τους αρχάριους θα δουλέψουν καλά Μικροελεγκτές AVR. Υπάρχει ένα θαυμάσιο εκπαιδευτικό βίντεο για αυτό.

Συμπεράσματα

Οι μετατροπείς τάσης εναλλαγής είναι ένα πολύ σημαντικό θέμα στη βιομηχανία τροφοδοτικών για ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Τέτοια κυκλώματα χρησιμοποιούνται παντού και πρόσφατα, με την ανάπτυξη του "home-made" ή όπως είναι τώρα η μόδα που λέγεται "DIY's" και η δημοτικότητα του ιστοτόπου aliexpress, οι μετατροπείς αυτοί έχουν γίνει ιδιαίτερα δημοφιλείς και σε ζήτηση, μπορείτε να παραγγείλετε ένα έτοιμο πλακέτα κυκλωμάτων LM2596 και τα παρόμοια για μερικά δολάρια, ενώ μπορείτε να ρυθμίσετε την τάση ή το ρεύμα ή και τα δύο.

 

Ένα άλλο δημοφιλές συμβούλιο είναι το mini-360

Ίσως παρατηρήσετε ότι δεν υπάρχουν τρανζίστορ σε αυτά τα κυκλώματα. Το γεγονός είναι ότι είναι ενσωματωμένο στο chip, εκτός από αυτό υπάρχει ένας ελεγκτής PWM, κυκλώματα ανατροφοδότησης για τη σταθεροποίηση της τάσης εξόδου και πολλά άλλα. Ωστόσο, αυτά τα κυκλώματα μπορούν να ενισχυθούν με την εγκατάσταση ενός πρόσθετου τρανζίστορ.

Αν ενδιαφέρεστε να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα για τις ανάγκες σας, τότε μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τους λόγους σχεδίασης στην παρακάτω βιβλιογραφία:

• "Στοιχεία για την κατασκευή πηγών ενέργειας", Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Συγκρότημα Εταιρειών

• "Σταθεροποιημένοι μετατροπείς τρανζίστορ" V.S. Moin, Energoatomizdat, Μ. 1986.