DC-DC pretvarači

Za napajanje različite elektroničke opreme vrlo se često koriste DC / DC pretvarači. Koriste se u računalnim uređajima, komunikacijskim uređajima, raznim upravljačkim i automatizacijskim krugovima, itd.

Napajanje transformatora

U tradicionalnim izvorima napajanja transformatora, napon mrežnog napona pretvara se transformatorom, najčešće spuštenim, do željene vrijednosti. smanjena napon ispravljen diodnim mostom a izglađuje ga kondenzatorski filter. Ako je potrebno, nakon ispravljača postavlja se poluvodički stabilizator.

Napajanja transformatora obično su opremljena linearnim stabilizatorima. Postoje najmanje dvije prednosti takvih stabilizatora: to su mali troškovi i mali broj dijelova u kabelskom snopu. Ali ove prednosti troše niskom učinkovitošću, budući da se značajan dio ulaznog napona koristi za zagrijavanje upravljačkog tranzistora, što je potpuno neprihvatljivo za napajanje prijenosnih elektroničkih uređaja.

DC / DC pretvarači

Ako oprema pokreću galvanske ćelije ili baterije, tada je pretvaranje napona u željenu razinu moguće samo uz pomoć DC / DC pretvarača.

Ideja je prilično jednostavna: konstantni napon pretvara se u izmjenični napon, u pravilu, s frekvencijom od nekoliko desetaka ili čak stotina kiloherca, diže se (smanjuje), a zatim se ispravlja i napaja do opterećenja. Takvi se pretvarači često nazivaju impulsnim.

Primjer je pojačani pretvarač od 1,5 V do 5 V, samo izlazni napon USB računala. Sličan pretvarač snage prodaje se na Aliexpressu.

Sl. 1. pretvarač 1.5V / 5V

Impulsni pretvarači dobri su po tome što imaju visoku učinkovitost, unutar 60..90%. Još jedna prednost impulskih pretvarača je širok raspon ulaznih napona: ulazni napon može biti niži od izlaznog napona ili puno veći. DC / DC pretvarači se općenito mogu podijeliti u nekoliko skupina.

Klasifikacija pretvarača

Popust ili pad

Izlazni napon ovih pretvarača u pravilu je manji od ulaznog: bez posebnih gubitaka za zagrijavanje upravljačkog tranzistora, na ulaznom naponu od 12 ... 50V možete dobiti napon od samo nekoliko volti. Izlazna struja takvih pretvarača ovisi o zahtjevu opterećenja, što zauzvrat određuje krug pretvarača.

Još jedno englesko ime za pretvarač helikoptera. Jedna od mogućnosti prevođenja ove riječi je razbijač. U tehničkoj literaturi pretvarač zgloba ponekad se naziva i "helikopter". Za sada se samo sjetite ovog izraza.

Pojačanje ili poticanje engleske terminologije

Izlazni napon ovih pretvarača je veći od ulaznog. Na primjer, s ulaznim naponom od 5 V, može se dobiti izlaz do 30 V, štoviše, može se kontinuirano regulirati i stabilizirati. Pojačani pretvarači često se nazivaju i pojačivačima.

Univerzalni pretvarači - SEPIC

Izlazni napon ovih pretvarača održava se na unaprijed zadanoj razini s ulaznim naponom i višim od ulaznog i nižim. Preporučuje se u slučajevima kada ulazni napon može značajno varirati. Na primjer, u automobilu napon baterije može varirati između 9 ... 14V, a želite dobiti stabilan napon od 12 V.

Inverting pretvarači - pretvarač pretvarača

Glavna funkcija ovih pretvarača je dobivanje izlaznog napona obrnute polarnosti u odnosu na izvor napajanja. Na primjer, vrlo prikladno u slučajevima kada je potrebna bipolarna prehrana napajati op-amp.

Svi ovi pretvarači mogu se stabilizirati ili nestabilizirati, izlazni napon može biti galvanski spojen na ulaz ili imati galvansku izolaciju napona. Sve ovisi o konkretnom uređaju u kojem će se pretvarač koristiti.

Da bismo nastavili daljnju raspravu DC / DC pretvarača, treba se barem baviti teorijom.

Pretvarač za sjeckanje - pretvarač vrste

Njegov funkcionalni dijagram prikazan je na donjoj slici. Strelice na žicama označavaju smjer struje.

Sl. 2. Funkcionalni dijagram stabilizatora sjeckanja

Ulazni napon Uin primjenjuje se na ulazni filter - kondenzator Cin. VT tranzistor koristi se kao ključni element, on vrši visokofrekventnu strujnu komutaciju. Moglo bi se MOSFET strukturni tranzistor, IGBT ili konvencionalni bipolarni tranzistor, Pored ovih dijelova, krug sadrži ispraznu diodu VD i izlazni filter - LCout, iz kojeg napon ulazi u opterećenje Rn.

Lako je vidjeti da je opterećenje serijski povezano s elementima VT i L. Stoga je krug konzistentan. Kako nastaje podnapon?

Modulacija širine impulsa - PWM

Upravljački krug generira pravokutne impulse s konstantnom frekvencijom ili konstantnim razdobljem, što je u osnovi ista stvar. Ti su impulsi prikazani na slici 3.

Sl. 3. Upravljajući impulsi

Ovdje je t vrijeme impulsa, tranzistor je otvoren, tp je vrijeme pauze, a tranzistor je zatvoren. Omjer ti / T naziva se radni ciklus radnog ciklusa, označen slovom D i izražava se u %% ili jednostavno u brojevima. Na primjer, s D jednakim 50%, ispada da je D = 0,5.

Dakle, D može varirati od 0 do 1. S vrijednošću D = 1, ključni tranzistor je u stanju pune kondukcije, a pri D = 0 u prekidnom stanju, jednostavno rečeno, zatvoren. Lako je pretpostaviti da će pri D = 50% izlazni napon biti jednak polovici ulaza.

Sasvim je očito da se regulacija izlaznog napona događa uslijed promjene širine kontrolnog impulsa t i, u stvari, promjene koeficijenta D. Ovo načelo regulacije nazivamo širina impulsa modulirana PWM (PWM). Gotovo u svim preklopnim izvorima napajanja, izlazni napon se stabilizira upravo uz pomoć PWM-a.

Na dijagramima prikazanim na slikama 2 i 6, PWM je „skriven“ u pravokutnicima s natpisom „Upravljački krug“, koji obavlja neke dodatne funkcije. Na primjer, to može biti gladak start izlaznog napona, daljinsko uključivanje ili zaštita pretvarača od kratkog spoja.

Općenito, pretvarači su bili toliko široko korišteni da tvrtke koje proizvode elektroničke komponente organiziraju PWM kontrolere za sve prigode. Raspon je toliko velik da će vam za njihovo popisanje trebati čitava knjiga. Stoga nikome ne pada na pamet da sastavi pretvarače na diskretne elemente, ili kako to često kažu na "labav prahu".

Štoviše, gotovi pretvarači malog kapaciteta mogu se kupiti na Aliexpressu ili Ebayu po maloj cijeni. U ovom slučaju, za ugradnju u amaterskom dizajnu, dovoljno je lemljenje ulaznih i izlaznih žica na ploču i postavljanje potrebnog izlaznog napona.

No, vratimo se na broj 3. U ovom slučaju, koeficijent D određuje koliko će vremena biti otvoreno (faza 1) ili zatvoreno (faza 2) ključni tranzistor, Za ove dvije faze dijagram možete zamisliti na dvije slike. Slike ne prikazuju one elemente koji se ne koriste u ovoj fazi.

Sl. 4 Faza 1

Kada je tranzistor otvoren, struja iz izvora napajanja (galvanska ćelija, baterija, ispravljač) prolazi kroz induktivnu prigušnicu L, opterećenje Rn i Cout kondenzator za punjenje. U tom slučaju kroz opterećenje teče struja, kondenzator Cout i induktor L akumuliraju energiju. Trenutni iL postupno se povećava, utječe učinak induktivnosti induktora. Ta se faza naziva pumpanje.

Nakon što napon pri opterećenju dosegne zadanu vrijednost (određenu postavkama upravljačkog uređaja), tranzistor VT se zatvara i uređaj prelazi u drugu fazu - fazu pražnjenja. Zatvoreni tranzistor na slici uopće nije prikazan kao da ne postoji. Ali to samo znači da je tranzistor zatvoren.

Sl. 5 Faza 2

Kad se tranzistor VT zatvori, dopunjavanje energije u induktoru ne dolazi jer je izvor napajanja isključen. Jačina L teži da spreči promjenu veličine i smjera struje (samoindukcija) koja teče kroz namot induktora.

Stoga se struja ne može odmah zaustaviti i zatvara se kroz krug diodnog opterećenja. Zbog toga se VD dioda zove bit. U pravilu, ovo je brza Schottky dioda. Nakon razdoblja upravljanja faze 2, krug prelazi u fazu 1, postupak se ponovno ponavlja. Maksimalni napon na izlazu iz razmatranog kruga može biti jednak ulaznom i ne više. Za dobivanje izlaznog napona većeg od ulaznog napona koriste se pojačani pretvarači.

Treba napomenuti da u stvari nije sve tako jednostavno kako je gore napisano: pretpostavlja se da su sve komponente savršene, tj. uključivanje i isključivanje događa se bez odgađanja, a aktivni otpor je nula. U praktičnoj proizvodnji takvih shema potrebno je uzeti u obzir mnoge nijanse, jer puno ovisi o kvaliteti korištenih komponenti i parazitskoj ugradbenoj sposobnosti. Samo o tako jednostavnom detalju kao što je leptir za gas (dobro, samo zavojnica žice!), Možete napisati više od jednog članka.

Zasad je potrebno samo podsjetiti na vrijednost induktivnosti, koja određuje dva načina rada helikoptera. S nedovoljnom induktivnošću, pretvarač će raditi u diskontinuiranom načinu struje, što je potpuno neprihvatljivo za izvore napajanja.

Ako je induktivnost dovoljno velika, tada se rad odvija u režimu neprekidne struje, što omogućava da se pomoću izlaznih filtera dobije konstantan napon s prihvatljivom razinom valovanja. U režimu neprekidne struje rade i pojačani pretvarači, što će biti opisano u nastavku.

Da bi se povećala učinkovitost, VD pražnjenja dioda zamjenjuje MOSFET tranzistor, koji u pravom trenutku otvara upravljački krug. Takvi pretvarači nazivaju se sinkroni. Njihova upotreba je opravdana ako je snaga pretvarača dovoljno velika.

Pojačani ili pojačani pojačani pretvarači

Pojačani pretvarači uglavnom se koriste za napajanje niskonaponskim naponom, na primjer, od dvije do tri baterije, a neke komponente zahtijevaju 12 ... 15 V s niskom potrošnjom struje. Vrlo često se pojačani pretvarač ukratko i jasno naziva riječ "potisnik".

Sl. 6. Funkcionalni dijagram pojačavajućeg pretvarača

Ulazni napon Uin primjenjuje se na ulazni filter Cin i primjenjuje na serijski spojeni induktor L i preklopni tranzistor VT. Dioda VD spojena je na mjesto spajanja zavojnice i odvoda tranzistora. Na drugi terminal diode priključeni su opterećenje Rn i prekidač kondenzatora s sklopkom.

Tranzistor VT kontrolira upravljački krug koji stvara signal stabilne frekvencije s podesivim radnim ciklusom D, na isti način kao što je gore opisano u opisu kruga helikoptera (Sl. 3). VD dioda u pravo vrijeme blokira opterećenje ključnog tranzistora.

Kada je ključni tranzistor otvoren, desni izlaz zavojnice L povezan je s negativnim polom napajanja Uin. Rastena struja (utječe učinak induktivnosti) iz izvora energije teče kroz zavojnicu i otvoreni tranzistor, energija se nakuplja u zavojnici.

U ovom trenutku VD dioda blokira opterećenje i izlazni kondenzator iz ključnog kruga i na taj način sprečava pražnjenje izlaznog kondenzatora kroz otvoreni tranzistor. Opterećenje u ovom trenutku se napaja energijom pohranjenom u kondenzatoru Cout. Naravno, napon preko izlaznog kondenzatora opada.

Čim izlazni napon postane malo niži od navedenog (određen postavkama upravljačkog kruga), ključni tranzistor VT se zatvara, a energija pohranjena u induktoru ponovno puni kondenzator Cout kroz diodu VD, koja napaja opterećenje. U ovom se slučaju EM-u indukcije zavojnice L dodaje u ulazni napon i prenosi na opterećenje, dakle, izlazni napon je veći od ulaznog napona.

Kad izlazni napon dosegne postavljenu razinu stabilizacije, upravljački krug otvara tranzistor VT, a postupak se ponavlja iz faze skladištenja energije.

Univerzalni pretvarači - SEPIC (jednostruki pretvarač primarnog induktora ili pretvarač s asimetrično nabijenom primarnom induktivnošću).

Takvi se pretvarači koriste uglavnom kada opterećenje ima malu snagu, a ulazni napon se mijenja u odnosu na izlaz gore ili dolje.

Sl. 7 Funkcionalni dijagram pretvarača SEPIC

Vrlo je sličan krugu pojačavajućeg pretvarača prikazanom na slici 6, ali ima dodatne elemente: kondenzator C1 i zavojnicu L2. Upravo ti elementi osiguravaju rad pretvarača u načinu smanjenja napona.

SEPIC pretvarači se koriste u slučajevima kada ulazni napon jako varira. Primjer je regulator napona pojačanog pojačanja 4V-35V do 1,23 V-32V. Pod tim se imenom pretvarač prodaje u kineskim trgovinama, čiji je krug prikazan na slici 8 (kliknite na sliku za povećanje).

Sl. 8 Shematski dijagram pretvarača SEPIC

Na slici 9. prikazan je izgled ploče s oznakom glavnih elemenata.

Slika 9. Izgled pretvarača SEPIC

Na slici su prikazani glavni dijelovi u skladu sa slikom 7. Obratite pažnju na prisutnost dva svitka L1 L2. Na temelju ove značajke može se utvrditi da je upravo to SEPIC pretvarač.

Ulazni napon ploče može biti u rasponu 4 ... 35V. U ovom se slučaju izlazni napon može podesiti unutar 1,23 ... 32V. Radna frekvencija pretvarača je 500KHz, a s malom veličinom od 50 x 25 x 12 mm ploča pruža snagu do 25 vata. Maksimalna izlazna struja do 3A.

Ali ovdje treba napomenuti. Ako je izlazni napon postavljen na 10V, tada izlazna struja ne može biti veća od 2,5A (25W). S izlaznim naponom od 5 V i maksimalnom strujom od 3A, snaga će biti samo 15 W. Glavna stvar ovdje je ne pretjerivati: ili ne prelaze najveću dopuštenu snagu, ili ne prelaze dopuštenu struju.

Vidi također: Preklopni izvori napajanja - princip rada

Boris Aladyskin