Convertidores DC-DC

Para alimentar diversos equipos electrónicos, los convertidores CC / CC son muy utilizados. Se utilizan en dispositivos informáticos, dispositivos de comunicación, diversos circuitos de control y automatización, etc.

Fuentes de alimentación para transformadores

En las fuentes de alimentación de transformadores tradicionales, la tensión de la red eléctrica se convierte mediante un transformador, que a menudo se reduce, al valor deseado. Bajo voltaje rectificado por un puente de diodos y suavizado por un filtro de condensador. Si es necesario, se coloca un estabilizador de semiconductores después del rectificador.

Las fuentes de alimentación de transformadores suelen estar equipadas con estabilizadores lineales. Hay al menos dos ventajas de tales estabilizadores: es un costo pequeño y una pequeña cantidad de piezas en el arnés. Pero estas ventajas son consumidas por la baja eficiencia, ya que una parte significativa del voltaje de entrada se usa para calentar el transistor de control, lo cual es completamente inaceptable para alimentar dispositivos electrónicos portátiles.

Convertidores DC / DC

Si el equipo funciona con pilas galvánicas o baterías, la conversión de voltaje al nivel deseado solo es posible con la ayuda de convertidores CC / CC.

La idea es bastante simple: una tensión constante se convierte en tensión alterna, por regla general, con una frecuencia de varias decenas o incluso cientos de kilohercios, aumenta (disminuye) y luego se rectifica y alimenta a la carga. Tales convertidores a menudo se llaman pulso.

Un ejemplo es el convertidor boost de 1.5V a 5V, solo el voltaje de salida de una computadora USB. Un convertidor de potencia similar se vende en AliExpress.

Fig. 1. convertidor 1.5V / 5V

Los convertidores de pulso son buenos porque tienen una alta eficiencia, dentro del 60..90%. Otra ventaja de los convertidores de pulso es una amplia gama de voltajes de entrada: el voltaje de entrada puede ser menor que el voltaje de salida o mucho mayor. En general, los convertidores CC / CC se pueden dividir en varios grupos.

Clasificación de convertidores

Descenso o dinero

El voltaje de salida de estos convertidores, como regla, es menor que la entrada: sin pérdidas especiales para calentar el transistor de control, puede obtener un voltaje de solo unos pocos voltios con un voltaje de entrada de 12 ... 50V. La corriente de salida de dichos convertidores depende de la demanda de la carga, que a su vez determina la circuitería del convertidor.

Otro nombre en inglés para el convertidor chopper buck. Una de las opciones para traducir esta palabra es un interruptor. En la literatura técnica, el convertidor de dinero a veces se llama "chopper". Por ahora, solo recuerda este término.

Mejora o mejora la terminología en inglés

El voltaje de salida de estos convertidores es más alto que la entrada. Por ejemplo, con un voltaje de entrada de 5V, se puede obtener una salida de hasta 30V; además, se puede regular y estabilizar continuamente. Los convertidores de impulso a menudo se denominan impulsores.

Convertidores universales - SEPIC

El voltaje de salida de estos convertidores se mantiene en un nivel predeterminado con un voltaje de entrada más alto que el de entrada y más bajo. Recomendado en casos donde el voltaje de entrada puede variar significativamente. Por ejemplo, en un automóvil, el voltaje de la batería puede variar entre 9 ... 14V, y desea obtener un voltaje estable de 12V.

Convertidores inversores - convertidor inversor

La función principal de estos convertidores es obtener el voltaje de salida de polaridad inversa en relación con la fuente de alimentación. Muy conveniente en casos donde se requiere nutrición bipolar, por ejemplo para alimentar el amplificador operacional.

Todos estos convertidores pueden estabilizarse o no estabilizarse, el voltaje de salida puede conectarse galvánicamente a la entrada o tener un aislamiento galvánico de los voltajes. Todo depende del dispositivo específico en el que se utilizará el convertidor.

Para proceder a la discusión adicional de los convertidores DC / DC, uno debería al menos ocuparse de la teoría.

Chopper Down Converter - convertidor tipo buck

Su diagrama funcional se muestra en la figura a continuación. Las flechas en los cables indican la dirección de las corrientes.

Fig.2. Diagrama funcional del estabilizador chopper

El voltaje de entrada Uin se aplica al filtro de entrada - condensador Cin. El transistor VT se utiliza como elemento clave; realiza la conmutación de corriente de alta frecuencia. Podría ser Transistor de estructura MOSFET, IGBT cualquiera transistor bipolar convencional. Además de estos detalles, el circuito contiene un diodo de descarga VD y un filtro de salida - LCout, desde el cual el voltaje ingresa a la carga Rн.

Es fácil ver que la carga está conectada en serie con los elementos VT y L. Por lo tanto, el circuito es consistente. ¿Cómo se produce la subtensión?

Modulación de ancho de pulso - PWM

El circuito de control genera pulsos rectangulares con una frecuencia constante o período constante, que es esencialmente lo mismo. Estos pulsos se muestran en la Figura 3.

Fig.3. Pulsos de control

Aquí t es el tiempo de pulso, el transistor está abierto, tp es el tiempo de pausa y el transistor está cerrado. La relación ti / T se llama ciclo de trabajo ciclo de trabajo, denotado por la letra D y se expresa en %% o simplemente en números. Por ejemplo, con D igual al 50%, resulta que D = 0.5.

Por lo tanto, D puede variar de 0 a 1. Con un valor de D = 1, el transistor clave está en un estado de conductividad completa, y en D = 0 en un estado de corte, simplemente hablando, está cerrado. Es fácil adivinar que a D = 50% el voltaje de salida será igual a la mitad de la entrada.

Es bastante obvio que la regulación de la tensión de salida se produce debido a un cambio en el ancho del pulso de control t y, de hecho, un cambio en el coeficiente D. Este principio de regulación se llama ancho de pulso modulado PWM (PWM) En casi todas las fuentes de alimentación conmutadas, es precisamente con la ayuda de PWM que el voltaje de salida se estabiliza.

En los diagramas que se muestran en las Figuras 2 y 6, el PWM está "oculto" en los rectángulos con la inscripción "Circuito de control", que realiza algunas funciones adicionales. Por ejemplo, puede ser un inicio suave de la tensión de salida, encendido remoto o protección del convertidor contra cortocircuitos.

En general, los convertidores se utilizaron tanto que las empresas que fabricaban componentes electrónicos dispusieron controladores PWM para todas las ocasiones. El rango es tan grande que solo para enumerarlos necesitará un libro completo. Por lo tanto, a nadie se le ocurre ensamblar convertidores en elementos discretos, o como suelen decir en "polvo suelto".

Además, los convertidores listos para usar de pequeña capacidad se pueden comprar en Aliexpress o Ebay por un pequeño precio. Al mismo tiempo, para la instalación en un diseño aficionado, es suficiente soldar los cables de entrada y salida a la placa, y establecer el voltaje de salida requerido.

Pero volvamos a nuestra figura 3. En este caso, el coeficiente D determina cuánto tiempo estará abierto (fase 1) o cerrado (fase 2) transistor clave. Para estas dos fases, puedes imaginar el diagrama en dos figuras. Las figuras NO MUESTRAN aquellos elementos que no se usan en esta fase.

Fig.4. Fase 1

Cuando el transistor está abierto, la corriente de la fuente de energía (celda galvánica, batería, rectificador) pasa a través de un inductor inductivo L, una carga R y un condensador de carga Cout. Al mismo tiempo, una corriente fluye a través de la carga, el condensador Cout y el inductor L acumulan energía. El iL actual aumenta gradualmente, afecta el efecto de la inductancia del inductor. Esta fase se llama bombeo.

Después de que el voltaje en la carga alcanza el valor establecido (determinado por la configuración del dispositivo de control), el transistor VT se cierra y el dispositivo pasa a la segunda fase, la fase de descarga. El transistor cerrado en la figura no se muestra en absoluto, como si no existiera. Pero esto solo significa que el transistor está cerrado.

Fig.5. Fase 2

Cuando el transistor VT está cerrado, no hay reposición de energía en el inductor, ya que la fuente de alimentación está desconectada. La inductancia L tiende a evitar un cambio en la magnitud y dirección de la corriente (autoinducción) que fluye a través del devanado del inductor.

Por lo tanto, la corriente no puede detenerse instantáneamente y se cierra a través del circuito de carga de diodos. Debido a esto, el diodo VD se llama bit. Como regla general, este es un diodo Schottky de alta velocidad. Después del período de control de la fase 2, el circuito cambia a la fase 1, el proceso se repite nuevamente. El voltaje máximo en la salida del circuito considerado puede ser igual a la entrada, y no más. Para obtener un voltaje de salida mayor que el voltaje de entrada, se utilizan convertidores de refuerzo.

Cabe señalar que, de hecho, no todo es tan simple como se escribió anteriormente: se supone que todos los componentes son perfectos, es decir, el encendido y apagado se produce sin demora, y la resistencia activa es cero. En la fabricación práctica de tales esquemas, se deben tener en cuenta muchos matices, ya que mucho depende de la calidad de los componentes utilizados y de la capacidad parasitaria de la instalación. Solo sobre un detalle tan simple como un acelerador (bueno, ¡solo una bobina de alambre!), Puedes escribir más de un artículo.

Por ahora, solo es necesario recuperar el valor de inductancia en sí mismo, que determina dos modos de funcionamiento del chopper. Con una inductancia insuficiente, el convertidor funcionará en modo de corriente discontinua, lo cual es completamente inaceptable para las fuentes de energía.

Si la inductancia es lo suficientemente grande, entonces el trabajo se realiza en el modo de corriente continua, lo que permite utilizar los filtros de salida para obtener un voltaje constante con un nivel aceptable de ondulación. En el modo de corriente continua, también funcionan los convertidores elevadores, que se describirán a continuación.

Para aumentar la eficiencia, el diodo de descarga VD se reemplaza por un transistor MOSFET, que se abre en el momento adecuado mediante el circuito de control. Dichos convertidores se llaman síncronos. Su uso está justificado si la potencia del convertidor es lo suficientemente grande.

Aumente o aumente los convertidores de impulso

Los convertidores Boost se utilizan principalmente para fuentes de alimentación de bajo voltaje, por ejemplo, de dos a tres baterías, y algunos componentes requieren 12 ... 15 V con bajo consumo de corriente. Muy a menudo, el convertidor de impulso se llama breve y claramente la palabra "refuerzo".

Fig.6. Diagrama funcional del convertidor boost

El voltaje de entrada Uin se aplica al filtro de entrada Cin y se aplica a la conexión en serie inductor L y transistor de conmutación VT. Un diodo VD está conectado al punto de conexión de la bobina y al drenaje del transistor. Una carga R y un condensador de derivación Cout están conectados al otro terminal del diodo.

El transistor VT es controlado por un circuito de control que genera una señal de control de frecuencia estable con un ciclo de trabajo ajustable D, de la misma manera que se describe anteriormente en la descripción del circuito del interruptor (Fig. 3). El diodo VD en el momento correcto bloquea la carga del transistor clave.

Cuando el transistor de llave está abierto, la salida del lado derecho de la bobina L está conectada al polo negativo de la fuente de alimentación Uin. La corriente ascendente (el efecto de la inductancia afecta) de la fuente de energía fluye a través de la bobina y un transistor abierto, la energía se acumula en la bobina.

En este momento, el diodo VD bloquea la carga y el condensador de salida del circuito clave, evitando así la descarga del condensador de salida a través de un transistor abierto. La carga en este momento es alimentada por la energía almacenada en el condensador Cout. Naturalmente, el voltaje a través del condensador de salida cae.

Tan pronto como el voltaje de salida se vuelve ligeramente más bajo que el valor establecido (determinado por la configuración del circuito de control), el transistor clave VT se cierra y la energía almacenada en el inductor recarga el condensador Cout a través del diodo VD, que alimenta la carga. En este caso, el EMF de autoinducción de la bobina L se agrega al voltaje de entrada y se transfiere a la carga, por lo tanto, el voltaje de salida es mayor que el voltaje de entrada.

Cuando el voltaje de salida alcanza el nivel de estabilización establecido, el circuito de control abre el transistor VT y el proceso se repite desde la fase de almacenamiento de energía.

Convertidores universales - SEPIC (convertidor de inductor primario de un solo extremo o convertidor con inductancia primaria cargada asimétricamente).

Tales convertidores se usan principalmente cuando la carga tiene poca potencia y el voltaje de entrada cambia en relación con la salida en mayor o menor medida.

Fig.7. Diagrama funcional del convertidor SEPIC

Es muy similar al circuito convertidor de refuerzo que se muestra en la Figura 6, pero tiene elementos adicionales: condensador C1 y bobina L2. Son estos elementos los que aseguran el funcionamiento del convertidor en modo de subtensión.

Los convertidores SEPIC se usan en casos donde el voltaje de entrada varía ampliamente. Un ejemplo es el 4V-35V a 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter Regulator. Es bajo este nombre que se vende un convertidor en las tiendas chinas, cuyo circuito se muestra en la Figura 8 (haga clic en la imagen para ampliarla).

Fig.8. Diagrama esquemático del convertidor SEPIC

La Figura 9 muestra la apariencia del tablero con la designación de los elementos principales.

Fig.9. Apariencia del convertidor SEPIC

La figura muestra las partes principales de acuerdo con la Figura 7. Debe prestar atención a la presencia de dos bobinas L1 L2. Basado en esta característica, se puede determinar que este es precisamente el convertidor SEPIC.

El voltaje de entrada de la placa puede estar en el rango de 4 ... 35V. En este caso, el voltaje de salida se puede ajustar dentro de 1.23 ... 32V. La frecuencia de funcionamiento del convertidor es de 500 KHz. Con un tamaño pequeño de 50 x 25 x 12 mm, la placa proporciona una potencia de hasta 25 vatios. Corriente de salida máxima hasta 3A.

Pero aquí debería hacerse un comentario. Si el voltaje de salida se establece en 10 V, entonces la corriente de salida no puede ser superior a 2.5A (25W). Con un voltaje de salida de 5V y una corriente máxima de 3A, la potencia será de solo 15W. Lo principal aquí es no exagerar: o no exceda la potencia máxima permitida, o no vaya más allá de la corriente permitida.

Ver también: Fuentes de alimentación conmutadas: principio de funcionamiento

Boris Aladyshkin