DC-DC átalakítók

Különböző elektronikus berendezések táplálására a DC / DC átalakítókat nagyon széles körben használják. Számítógépes eszközökben, kommunikációs eszközökben, különféle vezérlő- és automatizáló áramkörökben stb. Használják őket.

Transzformátor tápegységei

A hagyományos transzformátor-tápegységekben a hálózati feszültséget transzformátor segítségével alakítják át, a leggyakrabban csökkentett értékkel, a kívánt értékre. csökkentett feszültséget diódahíd segítségével helyrehozva és kondenzátor szűrővel simítva. Szükség esetén félvezető stabilizátort helyezünk az egyenirányító után.

A transzformátor tápegységeit általában lineáris stabilizátorokkal látják el. Az ilyen stabilizátoroknak legalább két előnye van: kis költség és kevés alkatrész a hámban. Ezeket az előnyöket azonban az alacsony hatékonyság is felhasználja, mivel a bemeneti feszültség jelentős részét a vezérlő tranzisztor melegítésére használják, ami teljesen elfogadhatatlan a hordozható elektronikus eszközök tápellátására.

DC / DC átalakítók

Ha a berendezést galvanikus elemekkel vagy elemekkel látja el, akkor a feszültség átalakítása a kívánt szintre csak DC / DC átalakítók segítségével lehetséges.

Az ötlet nagyon egyszerű: egy állandó feszültséget váltakozó feszültségre konvertálnak, rendszerint több tíz vagy akár több száz kilohertz frekvenciájával megemelkedik (csökken), majd egyenirányításra kerül és betáplálják a terhelést. Az ilyen átalakítókat gyakran impulzusnak nevezik.

Példa erre a 1,5–5 V feszültségátalakító, csak a számítógép USB kimeneti feszültsége. Hasonló teljesítmény-átalakítót értékesítünk az Aliexpress-en.

Ábra. 1. 1,5 V / 5 V átalakító

Az impulzus-átalakítók jó abban, hogy nagy hatékonyságúak, 60–90% -on belül. Az impulzus-konverterek további előnye a bemeneti feszültségek széles skálája: a bemeneti feszültség alacsonyabb lehet, mint a kimeneti feszültség, vagy sokkal magasabb. Általában a DC / DC átalakítókat több csoportra lehet osztani.

A konverterek osztályozása

Lépj le vagy buck

Ezen átalakítók kimeneti feszültsége általában alacsonyabb, mint a bemeneti érték: a vezérlő tranzisztor melegítéséhez szükséges speciális veszteségek nélkül csak néhány volt feszültséget kaphat 12 ... 50 V bemeneti feszültségnél. Az ilyen konverterek kimeneti árama a terhelés igényétől függ, amely viszont meghatározza a konverter áramkört.

A Chopper Buck Converter egy másik angol neve. E szó fordításának egyik lehetősége a megszakító. A szakirodalomban a dollár-konvertert néha „choppernek” hívják. Egyelőre csak emlékezz erre a kifejezésre.

Fokozni vagy növelni az angol terminológiát

Ezen konverterek kimeneti feszültsége magasabb, mint a bemeneti feszültség. Például, 5 V bemeneti feszültség esetén akár 30 V kimenetet lehet elérni, sima szabályozása és stabilizálása lehetséges. A Boost-átalakítókat gyakran Booster-nek nevezik.

Univerzális konverterek - SEPIC

Ezen átalakítók kimeneti feszültségét egy előre meghatározott szinten tartják, a bemeneti feszültség mind a bemenetinél magasabb, mind pedig alacsonyabb. Olyan esetekben ajánlott, amikor a bemeneti feszültség jelentősen eltérhet. Például egy autóban az akkumulátor feszültsége 9 ... 14 V között lehet, és stabil 12 V feszültséget kell kapnia.

Invertáló átalakítók - invertáló átalakító

Ezen konverterek fő funkciója az áramforráshoz viszonyított fordított polaritású kimeneti feszültség elérése. Nagyon kényelmes, ha például bipoláris táplálkozás szükséges az op-amp erősítésére.

Ezen konverterek mindegyike stabilizálható vagy nem stabilizálható, a kimeneti feszültség galvanikusan csatlakoztatható a bemenethez vagy feszültségek galvanikus leválasztása is lehetséges. Minden attól a készüléktől függ, amelyben a konvertert fogják használni.

A DC / DC átalakítók további megvitatásához legalább az elmélettel foglalkozni kell.

Chopper down átalakító - buck típusú átalakító

Működési diagramját az alábbi ábra mutatja. A huzalokon található nyilak jelzik az áramok irányát.

2. ábra A chopper stabilizátor funkcionális diagramja

Az Uin bemeneti feszültséget a Cin bemeneti szűrőre - a kondenzátorra - kell alkalmazni. A VT tranzisztor kulcsfontosságú elemként szolgál, nagyfrekvenciás áramváltást hajt végre. Lehet MOSFET szerkezeti tranzisztor, IGBT vagy hagyományos bipoláris tranzisztor. Ezen részletek mellett az áramkör tartalmaz egy VD kisülési diódát és egy LCout kimeneti szűrőt, ahonnan a feszültség belép az Rн terhelésbe.

Könnyű belátni, hogy a terhelés sorba van kötve a VT és L elemekkel. Ezért az áramkör konzisztens. Hogyan fordul elő alulfeszültség?

Impulzusszélesség-moduláció - PWM

A vezérlő áramkör téglalap alakú impulzusokat generál állandó frekvenciával vagy állandó periódussal, ami lényegében ugyanaz. Ezeket az impulzusokat a 3. ábra mutatja.

3. ábra Vezérlő impulzusok

Itt t az impulzus ideje, a tranzisztor nyitva, tp a szünet ideje és a tranzisztor zárva. A ti / T arányt a ciklus üzemi ciklusának nevezzük, amelyet D betű jelöl és %%-ban vagy egyszerűen számban fejezzük ki. Például, ha a D értéke 50%, kiderül, hogy D = 0,5.

Így D 0-tól 1-ig változhat. D = 1 értéknél a kulcs-tranzisztor teljes vezetőképességű állapotban van, és D = 0-ban cut-off állapotban, egyszerűen szólva, zárva van. Könnyű kitalálni, hogy D = 50% -nál a kimeneti feszültség megegyezik-e a bemenet felével.

Teljesen nyilvánvaló, hogy a kimeneti feszültség szabályozása a t vezérlési impulzus szélességének változása és valójában a D együttható megváltozása miatt következik be. Ezt a szabályozási elvet nevezzük impulzusszélességű modulált PWM (PWM). Szinte minden kapcsoló tápegységben pontosan a PWM segítségével stabilizálják a kimeneti feszültséget.

A 2. és 6. ábrán látható diagramokon a PWM „rejtett” a téglalapokban a „Vezérlőáramkör” felirattal, amely néhány további funkciót is ellát. Például ez lehet a kimeneti feszültség zökkenőmentes indítása, a távoli bekapcsolás vagy a konverter védelme a rövidzárlat ellen.

Általában véve az átalakítókat annyira széles körben használják, hogy a PWM vezérlők számára elrendezett elektronikus alkatrészeket gyártó társaságok minden alkalommal rendelkeznek. A tartomány annyira nagy, hogy csak azok listázásához szüksége lesz egy teljes könyvre. Ezért senkinek sem fordul elő, hogy az átalakítókat különálló elemekre, vagy amint gyakran mondják "laza porra" állítják össze.

Ezenkívül kis kapacitású kész átalakítókat alacsony áron meg lehet vásárolni az Aliexpress-en vagy az Ebay-en. Ugyanakkor az amatőr kialakításhoz elegendő a bemeneti és a kimeneti vezetékek forrasztása a táblára, és a szükséges kimeneti feszültség beállítása.

Visszatérve a 3. ábrához. Ebben az esetben a D együttható határozza meg, mennyi ideig lesz nyitva (1. fázis) vagy zárt (2. fázis). kulcs tranzisztor. E két szakasz esetében elképzelheti a diagramot két ábrán. Az ábrák NEM jelenítik meg azokat az elemeket, amelyeket ebben a szakaszban nem használnak.

4. ábra 1. fázis

Ha a tranzisztor nyitva van, az áramforrásból származó áram (galvanikus elem, akkumulátor, egyenirányító) áthalad az L induktív fojtón, a Rн terhelésen és a Cout töltőkondenzátoron. Ugyanakkor egy áram áramlik a terhelésen, a Cout kondenzátor és az L induktor energiát halmoz fel. A jelenlegi iL fokozatosan növekszik, az induktor induktivitásának hatása befolyásolja. Ezt a fázist pumpálásnak nevezzük.

Miután a terhelés feszültsége eléri a beállított értéket (amelyet a vezérlőkészülék beállításai határozzák meg), a VT tranzisztor bezáródik, és az eszköz a második fázisba - a kisülési fázisba - mozog. Az ábrán látható zárt tranzisztor egyáltalán nem látható, mintha nem létezne. De ez csak azt jelenti, hogy a tranzisztor zárva van.

5. ábra 2. fázis

Amikor a VT tranzisztor zárva van, az induktorban nem szabad feltölteni az energiát, mivel az áramforrás leválasztva van. Az L induktivitás megakadályozza az indukciós tekercsen átáramló áram (önindukció) nagyságának és irányának megváltozását.

Ezért az áram nem állhat le azonnal, és bezáródik a dióda-terhelési áramkörön. Emiatt a VD diódát bitnek hívják. Általános szabály, hogy ez egy nagysebességű Schottky dióda. A 2. fázis ellenőrzési periódusa után az áramkör átvált az 1. fázisra, a folyamatot megismételjük. A figyelembe vett áramkör kimenetén a maximális feszültség egyenlő lehet a bemenettel, és nem lehet több. A bemeneti feszültségnél nagyobb kimeneti feszültség elősegítés-átalakítókat használnak.

Meg kell jegyezni, hogy valójában nem minden olyan egyszerű, mint fentebb írták: feltételezzük, hogy minden elem tökéletes, azaz a be- és kikapcsolás késedelem nélkül megtörténik, és az aktív ellenállás nulla. Az ilyen sémák gyakorlati előállítása során sok árnyalattal kell számolni, mivel sok a használt komponensek minőségétől és a létesítmény parazita kapacitásától függ. Csak egy olyan egyszerű részletről, mint a fojtószelep (nos, csak egy huzaltekercs!), Egynél több cikket is írhat.

Jelenleg csak vissza kell emlékeztetni az induktivitás értékére, amely meghatározza a aprító két üzemmódját. Nem elegendő induktivitással a konverter szünetmentes áramerősségű üzemmódban fog működni, ami az energiaforrások számára teljesen elfogadhatatlan.

Ha az induktivitás elég nagy, akkor a munka elválaszthatatlan áramok üzemmódjában zajlik, amely lehetővé teszi a kimeneti szűrők használatával állandó feszültség elérését egy elfogadható hullámosási szinttel. Folyamatos áram módban a fokozatos átalakítók is működnek, amelyeket az alábbiakban ismertetünk.

A hatékonyság fokozása érdekében a VD kisülési diódát egy MOSFET tranzisztor váltja fel, amelyet a vezérlő áramkör a megfelelő időben nyit. Az ilyen konvertert szinkronnak nevezzük. Használatuk indokolt, ha a konverter teljesítménye elég nagy.

Fokozza vagy növelje az átalakítókat

Az erősítő-átalakítókat főleg alacsony feszültségű tápegységhez használják, például két-három elemre, és egyes alkatrészek 12 ... 15 V-ot igényelnek alacsony áramfogyasztással. Gyakran az emlékeztető átalakítót röviden és egyértelműen „emlékeztető” szónak nevezik.

6. ábra A kiegyenlítő konverter működési diagramja

Az Uin bemeneti feszültséget a Cin bemeneti szűrőre és a soros csatlakozásra kell alkalmazni induktor L és a VT kapcsoló tranzisztor. A tekercs csatlakozási pontjához és a tranzisztor lefolyójához VD dióda van csatlakoztatva. Az Rн terhelés és a Cout sönt kondenzátor csatlakozik a dióda másik végéhez.

A VT tranzisztor egy vezérlőáramkörrel vezérelhető, amely stabil frekvencia-vezérlő jelet generál egy állítható D működési ciklussal, ugyanúgy, mint amit a chopperáramkör leírásában (3. ábra) leírtunk. A VD dióda a megfelelő időben blokkolja a tranzisztor terhelését.

Ha a kulcsfontosságú tranzisztor nyitva van, az L tekercs jobb oldali kimenetét az Uin tápegység negatív pólusához kell csatlakoztatni. Az áramforrás növekvő árama (az induktivitás hatása befolyásolja) a tekercsen átfolyik és egy nyitott tranzisztoron keresztül az energia felhalmozódik a tekercsben.

Ebben az időben a VD dióda blokkolja a terhelést és a kimeneti kondenzátort a kulcsáramkörből, ezáltal megakadályozza a kimeneti kondenzátor kisülését egy nyitott tranzisztoron keresztül. A pillanatnyi pillanatot a Cout kondenzátorban tárolt energia táplálja. A kimeneti kondenzátor feszültsége természetesen csökken.

Amint a kimeneti feszültség valamivel alacsonyabb lesz, mint a megadott (a vezérlőáramkör beállításai alapján), a VT tranzisztor bezáródik, és az induktorban tárolt energia a VD diódán keresztül tölti a Cout kondenzátort, amely táplálja a terhelést. Ebben az esetben az L tekercs önindukciós EMF-jét hozzáadják a bemeneti feszültséghez, és átviszik a terhelésbe, tehát a kimeneti feszültség nagyobb, mint a bemeneti feszültség.

Amikor a kimeneti feszültség eléri a beállított stabilizációs szintet, a vezérlőáramkör megnyitja a VT tranzisztort, és a folyamat megismétlődik az energiatárolás fázisától.

Univerzális konverterek - SEPIC (egyvégű primer induktor konverter vagy aszimmetrikusan terhelt primer induktivitással rendelkező konverter).

Az ilyen konvertert elsősorban akkor használják, ha a terhelés alacsony energiájú, és a bemeneti feszültség a kimenethez viszonyítva nagyobb vagy kisebb mértékben változik.

7. ábra A SEPIC konverter működési diagramja

Nagyon hasonlít a 6. ábrán bemutatott erősítő konverter áramkörére, de további elemekkel rendelkezik: C1 kondenzátor és L2 tekercs. Ezek az elemek biztosítják a konverter működését alulfeszültség alatt.

A SEPIC konvertert olyan esetekben használják, amikor a bemeneti feszültség nagyon eltérő. Példa erre a 4V-35V-1,23V-32V-os Boost Buck feszültséglépcső felfelé / lefelé történő átalakító szabályozója. Ezzel a néven konverter kerül forgalomba a kínai üzletekben, amelynek áramkörét a 8. ábra mutatja (kattintson a képre a nagyításhoz).

8. ábra A SEPIC konverter vázlatos rajza

A 9. ábra a tábla megjelenését mutatja a fő elemek megjelölésével.

9. ábra A SEPIC Converter megjelenése

Az ábra a 7. ábra szerinti fő alkatrészeket mutatja. Figyelembe kell vennie két L1 L2 tekercs jelenlétét. Ez a szolgáltatás alapján megállapítható, hogy pontosan ez a SEPIC konverter.

A tábla bemeneti feszültsége 4 ... 35 V tartományban lehet. Ebben az esetben a kimeneti feszültséget 1,23 ... 32 V-on lehet beállítani. Az átalakító működési frekvenciája 500 KHz, kicsi méretével (50 x 25 x 12 mm) a kártya akár 25 wattot is képes szolgáltatni. A maximális kimeneti áram 3A-ig.

De itt megjegyzést kell tenni. Ha a kimeneti feszültséget 10 V-ra állítja, akkor a kimeneti áram nem lehet nagyobb, mint 2,5 A (25 W). 5 V kimeneti feszültség és maximális 3A áram esetén a teljesítmény csak 15 W lesz. A lényeg itt nem az, hogy túlzásba kerüljön: vagy ne lépje túl a megengedett legnagyobb teljesítményt, vagy ne lépje túl a megengedett áramot.

Lásd még: Kapcsoló tápegységek - a működés elve

Boris Aladyshkin