DC-DC-muuntimet

Useiden elektronisten laitteiden virrankäyttöön DC / DC-muuntimia käytetään erittäin laajasti. Niitä käytetään laskentalaitteissa, tietoliikennelaitteissa, erilaisissa ohjaus- ja automaatiopiireissä jne.

Muuntajan teholähteet

Perinteisissä muuntajan teholähteissä verkkojännite muunnetaan muuntajan avulla, useimmiten alennettuna, haluttuun arvoon. alennetun jännitteen tasasuunnattu diodisillalla ja tasoitettu kondensaattorisuodattimella. Puolijohdevakain asetetaan tarvittaessa tasasuuntaajan jälkeen.

Muuntajan teholähteet on yleensä varustettu lineaarisilla stabilisaattoreilla. Tällaisilla stabilisaattoreilla on ainakin kaksi etua: se on pieni hinta ja pieni määrä valjaiden osia. Mutta nämä edut kulutetaan alhaisella hyötysuhteella, koska merkittävä osa tulojännitteestä käytetään säätötransistorin lämmittämiseen, mikä on täysin mahdotonta hyväksyä kannettavien elektronisten laitteiden virransyöttöön.

DC / DC-muuntimet

Jos laitteisto saa virtansa galvaanisista kennoista tai akkuista, jännitteen muuntaminen halutulle tasolle on mahdollista vain DC / DC-muuntimien avulla.

Idea on melko yksinkertainen: vakiojännite muunnetaan vaihtojännitteeksi, yleensä kymmenien ja jopa satojen kilohertsien taajuudella, se nousee (laskee), ja sitten se tasasuoritetaan ja syötetään kuormaan. Sellaisia ​​muuntimia kutsutaan usein pulssiksi.

Esimerkki on tehostajamuunnin 1,5 V: sta 5 V: iin, vain tietokoneen USB: n lähtöjännite. Samanlainen virtamuunnin myydään Aliexpressissä.

Kuva 1. 1,5 V / 5 V muunnin

Pulssimuuntimet ovat hyviä siksi, että niiden hyötysuhde on korkea, 60..90%. Toinen pulssimuuntajien etu on laaja tulojännitealue: tulojännite voi olla alhaisempi kuin lähtöjännite tai paljon korkeampi. DC / DC-muuntimet voidaan yleensä jakaa useisiin ryhmiin.

Muuntimien luokitus

Astu alas tai buck

Näiden muuntimien lähtöjännite on pääsääntöisesti alhaisempi kuin tulo: Ilman erityisiä häviöitä säätötransistorin lämmittämiseksi voit saada vain muutaman voltin jännitteen 12 ... 50V tulojännitteellä. Tällaisten muuntimien lähtövirta riippuu kuorman tarpeesta, mikä puolestaan ​​määrää muuntimen piirin.

Toinen englantilainen nimi chopper buck converterille. Yksi vaihtoehdoista tämän sanan kääntämiseksi on katkaisija. Teknisessä kirjallisuudessa buck-muunninta kutsutaan joskus “hakkuriksi”. Muista nyt vain tämä termi.

Englanninkielisen terminologian lisääminen tai parantaminen

Näiden muuntimien lähtöjännite on korkeampi kuin tulo. Esimerkiksi 5 V: n tulojännitteellä voidaan saavuttaa jopa 30 V: n lähtö, ja sen tasainen säätö ja stabilointi on mahdollista. Boost-muuntimia kutsutaan usein vahvistimiksi.

Universal-muuntimet - SEPIC

Näiden muuntimien lähtöjännite pidetään ennalta määrätyllä tasolla tulojännitteellä, joka on sekä tuloa korkeampi että pienempi. Sitä suositellaan tapauksissa, joissa tulojännite voi vaihdella merkittävästi. Esimerkiksi autossa akun jännite voi vaihdella välillä 9 ... 14 V, ja sinun on saatava vakaa 12 V jännite.

Käänteinen muunnin - käänteinen muunnin

Näiden muuntimien päätehtävänä on saada lähtövirran jännite käänteisen napaisuuden suhteen virtalähteeseen. Erittäin kätevä tapauksissa, joissa vaaditaan esimerkiksi bipolaarista ravitsemusta virtalähteeksi op-amp.

Kaikki nämä muuntimet voidaan stabiloida tai epävakaa, lähtöjännite voidaan kytkeä galvaanisesti tuloon tai olla jännitteiden galvaanisesti eristetty. Kaikki riippuu siitä laitteesta, jossa muunninta käytetään.

Jotta voidaan jatkaa jatkokeskustelua DC / DC-muuntajista, tulisi ainakin käsitellä tätä teoriaa.

Chopper down -muunnin - buck-tyyppinen muunnin

Sen toimintakaavio on esitetty alla olevassa kuvassa. Johtimien nuolet osoittavat virtojen suunnan.

Kuva 2. Halkaisijavakaimen toimintakaavio

Tulojännite Uin johdetaan tulosuodattimeen - kondensaattoriin Cin. VT-transistoria käytetään avainelementtinä, se suorittaa suurtaajuusvirran kytkemisen. Se voi olla MOSFET-rakennetransistori, IGBT tai tavanomainen bipolaarinen transistori. Näiden yksityiskohtien lisäksi piirissä on purkausdiodi VD ja lähtösuodatin - LCout, josta jännite tulee kuormaan Rн.

On helppo nähdä, että kuorma on kytketty sarjaan elementtien VT ja L kanssa. Siksi piiri on tasainen. Kuinka alijännite esiintyy?

Pulssinleveyden modulaatio - PWM

Ohjauspiiri generoi suorakulmaisia ​​pulsseja vakiotaajuudella tai vakiojaksolla, mikä on olennaisesti sama asia. Nämä pulssit on esitetty kuvassa 3.

Kuvio 3. Ohjauspulssit

Tässä t on pulssiaika, transistori on auki, tp on taukoaika ja transistori on kiinni. Ti / T-suhdetta kutsutaan käyttöjakson käyttöjaksoon, jota merkitään kirjaimella D ja joka ilmaistaan%% tai yksinkertaisesti numeroina. Esimerkiksi, kun D on 50%, käy ilmi, että D = 0,5.

Siten D voi vaihdella välillä 0 - 1. Arvolla D = 1 avaintransistori on täyden johtavuuden tilassa ja D = 0: n ollessa raja-tilassa yksinkertaisesti sanottuna se on suljettu. On helppo arvata, että D = 50%: n lähtöjännite on yhtä suuri kuin puolet tulosta.

On aivan selvää, että lähtöjännitteen säätely tapahtuu ohjauspulssin t leveyden muutoksen ja itse asiassa kertoimen D. muutoksen vuoksi. Tätä säätöperiaatetta kutsutaan pulssileveysmoduloitu PWM (PWM). Lähes kaikissa kytkentävirtalähteissä lähtöjännite vakiinnutetaan juuri PWM: n avulla.

Kuvioissa 2 ja 6 esitetyissä kaavioissa PWM on “piilotettu” suorakulmioissa merkinnällä “Control piiri”, joka suorittaa joitain lisätoimintoja. Se voi olla esimerkiksi lähtöjännitteen tasainen käynnistys, etäkäynnistys tai muuntimen suojaus oikosululta.

Yleensä muuntajia käytettiin niin laajasti, että yritykset, jotka tuottavat elektronisia komponentteja, jotka on järjestetty PWM-ohjaimiin kaikissa tilanteissa. Valikoima on niin suuri, että tarvitset kokonaisen kirjan vain niiden luetteloimiseksi. Siksi kenellekään ei tapahdu koota muuntimia erillisiin elementteihin tai kuten he usein sanovat "löysästä jauheesta".

Lisäksi pienikokoisia valmiita muuntimia voi ostaa Aliexpressistä tai Ebaystä pienellä hinnalla. Samanaikaisesti amatöörisäätöiseen asennukseen riittää, että juotetaan tulo- ja lähtöjohdot levylle ja asetetaan tarvittava lähtöjännite.

Mutta takaisin kuvioon 3. Tässä tapauksessa kerroin D määrittelee kuinka paljon aikaa on avoinna (vaihe 1) tai suljettu (vaihe 2) avaintransistori. Näille kahdelle vaiheelle voit kuvitella kaavion kahdessa kuvassa. Luvut ÄLÄ NÄYTÄ niitä elementtejä, joita ei käytetä tässä vaiheessa.

Kuvio 4. Vaihe 1

Kun transistori on auki, virtalähteen (galvaaninen kenno, akku, tasasuuntaaja) kulkeva virta kulkee induktiivisen kuristimen L, kuorman Rн ja latauskondensaattorin Cout läpi. Samanaikaisesti virta virtaa kuorman läpi, kondensaattori Cout ja kela L keräävät energiaa. Virta iL kasvaa vähitellen, induktorin induktanssin vaikutus vaikuttaa. Tätä vaihetta kutsutaan pumppaamiseksi.

Kun kuorman jännite on saavuttanut asetetun arvon (ohjauslaitteen asetusten perusteella), transistori VT sulkeutuu ja laite siirtyy toiseen vaiheeseen - purkausvaiheeseen. Kuvan suljettua transistoria ei näytetä ollenkaan, ikään kuin sitä ei olisi olemassa. Mutta tämä tarkoittaa vain, että transistori on suljettu.

Kuva 5. Vaihe 2

Kun transistori VT on kiinni, induktorissa ei tapahdu energiaa, koska virtalähde on kytketty irti. Induktiivisuus L pyrkii estämään induktorin käämin läpi virtaavan virran (itse induktio) suuruuden ja suunnan muutoksen.

Siksi virta ei voi pysähtyä heti ja sulkeutuu diodi-kuormapiirin läpi. Tämän takia VD-diodia kutsutaan bitiksi. Pääsääntöisesti tämä on nopea Schottky-diodi. Vaiheen 2 ohjausjakson jälkeen piiri kytkeytyy vaiheeseen 1, prosessi toistetaan uudelleen. Suurin jännite tarkasteltavan piirin ulostulossa voi olla yhtä suuri kuin tulo, eikä enempää. Tulojännitettä suuremman lähtöjännitteen saamiseksi käytetään tehostajamuuntimia.

On huomattava, että itse asiassa kaikki ei ole niin yksinkertaista kuin yllä on kirjoitettu: oletetaan, että kaikki komponentit ovat täydellisiä, ts. kytkeminen päälle ja pois päältä tapahtuu viipymättä ja aktiivinen vastus on nolla. Tällaisten järjestelmien käytännöllisessä valmistuksessa on otettava huomioon monet vivahteet, koska paljon riippuu käytettyjen komponenttien laadusta ja asennuksen loiskapasitanssista. Ainoastaan ​​sellaisesta yksinkertaisesta yksityiskohdasta kuin kaasu (hyvin, vain lankakela!), Voit kirjoittaa useita artikkeleita.

Toistaiseksi on tarpeen vain palauttaa itse induktanssiarvo, joka määrittelee kaksi pilkkurin käyttötapaa. Riittämättömällä induktanssilla muunnin toimii epäjatkuvassa virranmuodossa, mikä on täysin mahdotonta hyväksyä virtalähteille.

Jos induktanssi on riittävän suuri, työ tapahtuu jatkuvan virran tilassa, joka sallii lähtösuodattimien käytön saada vakiojännitteen hyväksyttävällä aaltoilutasolla. Jatkuvan virran tilassa myös tehostajamuuntimet toimivat, mitä kuvataan alla.

Jotakin tehokkuuden parantamiseksi VD-purkausdiodi korvataan MOSFET-transistorilla, jonka ohjauspiiri avaa oikeaan aikaan. Sellaisia ​​muuntimia kutsutaan synkronisiksi. Niiden käyttö on perusteltua, jos muuntimen teho on riittävän suuri.

Lisää tai lisää tehostajamuuntimia

Tehostusmuuntajia käytetään pääasiassa matalajännitteiseen virransyöttöön, esimerkiksi kahdesta kolmeen akkuun, ja jotkut komponentit vaativat 12 ... 15 V pienellä virrankulutuksella. Melko usein tehostajamuunninta kutsutaan lyhyesti ja selvästi sanaksi "booster".

Kuva 6. Lisäysmuuntimen toimintakaavio

Tulojännite Uin johdetaan tulosuodattimeen Cin ja sarjaan kytkettyihin IC L ja kytkintransistori VT. Diodi VD on kytketty transistorin käämin ja viemäriin. Kuorma Rн ja sekoituskondensaattori Cout on kytketty diodin toiseen napaan.

Transistoria VT ohjataan ohjauspiirillä, joka generoi vakaan taajuuden ohjaussignaalin säädettävällä toimintajaksolla D, samalla tavalla kuin yllä on kuvattu hakkuripiirin kuvauksessa (kuva 3). VD-diodi oikealla hetkellä estää avaintransistorin kuormituksen.

Kun avaintransistori on auki, kelan L oikea puoli on kytketty virtalähteen Uin negatiiviseen napaan. Kasvava virta (induktanssin vaikutus vaikuttaa) virtalähteestä virtaa kelan ja avoimen transistorin läpi, energiaa kertyy kelaan.

Tällä hetkellä VD-diodi estää kuorman ja lähtökondensaattorin avainpiiristä estäen siten lähtökondensaattorin purkautumisen avoimen transistorin kautta. Kuormaa tällä hetkellä syötetään kondensaattorin Cout: iin varastoidulla energialla. Luonnollisesti lähtökondensaattorin jännite laskee.

Heti kun lähtöjännite laskee hieman määriteltyä (ohjauspiiri-asetusten määrittämällä), avaintransistori VT sulkeutuu ja induktoriin varastoitu energia lataa kondensaattorin Cout diodin VD kautta, joka syöttää kuormaa. Tässä tapauksessa kelan L itseinduktio EMF lisätään tulojännitteeseen ja siirretään kuormaan, joten lähtöjännite on suurempi kuin tulojännite.

Kun lähtöjännite saavuttaa asetetun vakaustason, ohjauspiiri avaa transistorin VT ja prosessi toistetaan energian varastoinnin vaiheesta.

Universal-muuntimet - SEPIC (yksipäinen pää-induktorimuuntaja tai muunnin, jolla on epäsymmetrisesti ladattu primäärinen induktanssi).

Tällaisia ​​muuntimia käytetään pääasiassa, kun kuormalla on vähän tehoa, ja tulojännite muuttuu suhteessa lähtöyn ylös tai alas.

Kuva 7. SEPIC-muuntimen toimintakaavio

Hyvin samanlainen kuin kuviossa 6 esitetty lisäysmuuntimen piiri, mutta siinä on lisäelementtejä: kondensaattori C1 ja kela L2. Juuri nämä elementit varmistavat muuntimen toiminnan alijännitetilassa.

SEPIC-muuntimia käytetään tapauksissa, joissa tulojännite vaihtelee suuresti. Esimerkki on 4 V - 35 V - 1,23 V - 32 V Boost Buck -jännitteen askel ylös / alas -muuntimen säädin. Juuri tällä nimellä myydään muuntaja kiinalaisissa myymälöissä, joiden piiri on esitetty kuvassa 8 (napsauta kuvaa suurentaaksesi).

Kuva 8. Kaavio SEPIC-muuntimesta

Kuvio 9 esittää levyn ulkoasua pääelementtien kanssa.

Kuva 9. SEPIC-muuntimen esiintyminen

Kuvassa on kuvan 7 mukaiset pääosat. Kiinnitä huomiota kahden kelan L1 L2 läsnäoloon. Tämän ominaisuuden perusteella voidaan määrittää, että tämä on tarkalleen SEPIC-muunnin.

Levyn tulojännite voi olla välillä 4 ... 35 V. Tässä tapauksessa lähtöjännitettä voidaan säätää 1,23 ... 32 V: n sisällä. Muuntimen toimintataajuus on 500 KHz. Pienellä koossa 50 x 25 x 12 mm levy tarjoaa virtaa jopa 25 wattia. Suurin lähtövirta 3A asti.

Mutta tässä on tehtävä huomautus. Jos lähtöjännite on asetettu 10 V: iin, lähtövirta ei voi olla suurempi kuin 2,5 A (25 W). Lähtöjännitteen ollessa 5 V ja maksimivirran ollessa 3A, teho on vain 15W. Tärkeintä ei tässä ole liioitella: älä ylitä suurinta sallittua tehoa tai älä ylitä sallittua virtaa.

Katso myös: Kytkevät virtalähteet - toimintaperiaate

Boris Aladyshkin