DC-DC keitikliai

Norint maitinti įvairią elektroninę įrangą, DC / DC keitikliai yra labai plačiai naudojami. Jie naudojami skaičiavimo įrenginiuose, ryšių įrenginiuose, įvairiose valdymo ir automatikos grandinėse ir kt.

Transformatoriaus maitinimo šaltiniai

Tradiciniuose transformatorių maitinimo šaltiniuose tinklo įtampa konvertuojama naudojant transformatorių, dažniausiai nuleidžiamą, iki norimos vertės. Nepakankama įtampa ištaisytas diodiniu tiltu ir išlyginamas kondensatoriaus filtru. Jei reikia, po lygintuvo dedamas puslaidininkinis stabilizatorius.

Transformatoriaus maitinimo šaltiniai paprastai būna su linijiniais stabilizatoriais. Yra bent du tokių stabilizatorių pranašumai: tai yra maža kaina ir nedidelis dalių skaičius dirželiuose. Tačiau šiuos pranašumus sunaudoja mažas efektyvumas, nes nemaža įvesties įtampos dalis naudojama šildyti valdymo tranzistorių, o tai visiškai nepriimtina maitinti nešiojamus elektroninius prietaisus.

DC / DC keitikliai

Jei įrangą maitina galvaniniai elementai arba baterijos, tada įtampą konvertuoti į norimą lygį galima tik naudojant nuolatinės / nuolatinės srovės keitiklius.

Idėja yra gana paprasta: pastovi įtampa paverčiama į kintamąją įtampą, kaip taisyklė, kai jos dažnis yra kelios dešimtys ir net šimtai kilohercų, ji pakyla (sumažėja), o po to ištaisoma ir paduodama į apkrovą. Tokie keitikliai dažnai vadinami pulsais.

Pavyzdys yra padidinimo keitiklis nuo 1,5 V iki 5 V, tik kompiuterio USB išėjimo įtampa. Panašus galios keitiklis parduodamas „Aliexpress“.

Fig. 1. 1,5 V / 5 V keitiklis

Impulsų keitikliai yra geri tuo, kad turi aukštą efektyvumą, neviršijant 60–90%. Kitas impulsų keitiklių pranašumas yra platus įėjimo įtampų diapazonas: įėjimo įtampa gali būti žemesnė nei išėjimo įtampa arba daug didesnė. Apskritai DC / DC keitiklius galima suskirstyti į keletą grupių.

Keitiklių klasifikacija

Atsistatydinkite ar užmuškite

Šių keitiklių išėjimo įtampa, kaip taisyklė, yra žemesnė už įvestį: be specialių nuostolių, kaitinant valdymo tranzistorių, galite gauti tik kelių voltų įtampą, kai įėjimo įtampa yra 12 ... 50V. Tokių keitiklių išėjimo srovė priklauso nuo apkrovos poreikio, o tai savo ruožtu lemia keitiklio grandinę.

Kitas angliškas Chopper Buck Converter keitiklio pavadinimas. Viena iš šio žodžio vertimo variantų yra pertraukiklis. Techninėje literatūroje „buck“ keitiklis kartais vadinamas „kapotu“. Kol kas tik atsiminkite šį terminą.

Patobulinkite arba padidinkite anglų kalbos terminiją

Šių keitiklių išėjimo įtampa yra didesnė už įvestį. Pvz., Esant 5 V įėjimo įtampai, galima gauti iki 30 V išėjimą, o sklandus jo reguliavimas ir stabilizavimas yra įmanomas. Stiprintuvo keitikliai dažnai vadinami stiprintuvais.

Universalūs keitikliai - SEPIC

Šių keitiklių išėjimo įtampa palaikoma iš anksto nustatytu lygiu, kai įėjimo įtampa yra aukštesnė už įvestį ir mažesnė. Tai rekomenduojama tais atvejais, kai įėjimo įtampa gali labai skirtis. Pavyzdžiui, automobilyje akumuliatoriaus įtampa gali skirtis nuo 9 iki 14 V, o jums reikia gauti stabilią 12 V įtampą.

Apverstieji keitikliai - apverstieji keitikliai

Pagrindinė šių keitiklių funkcija yra gauti atvirkštinio poliškumo išėjimo įtampą energijos šaltinio atžvilgiu. Labai patogu tais atvejais, kai, pavyzdžiui, reikalinga bipolinė mityba maitinti op-amp.

Visi šie keitikliai gali būti stabilizuoti arba nestabilizuoti, išėjimo įtampa gali būti galvaniškai sujungta su įvestimi arba turėti galvaninę įtampų izoliaciją. Viskas priklauso nuo konkretaus įrenginio, kuriame bus naudojamas keitiklis.

Norint pereiti prie tolesnių diskusijų apie DC / DC keitiklius, reikėtų bent jau apsvarstyti teoriją.

„Chopper down“ keitiklis - „buck“ tipo keitiklis

Jo funkcinė schema parodyta paveikslėlyje žemiau. Rodyklės ant laidų nurodo srovių kryptį.

2 pav. Smulkintuvo stabilizatoriaus funkcinė schema

Įvesties įtampa Uin taikoma įvesties filtrui - kondensatoriui Cin. VT tranzistorius naudojamas kaip pagrindinis elementas, jis vykdo aukšto dažnio srovės perjungimą. Gali būti MOSFET struktūros tranzistorius, IGBT arba įprastas bipolinis tranzistorius. Be šių dalių, grandinėje yra iškrovos diodas VD ir išvesties filtras - LCout, iš kurio įtampa patenka į apkrovą Rн.

Nesunku pastebėti, kad apkrova sujungta nuosekliai su elementais VT ir L. Todėl grandinė yra nuosekli. Kaip atsiranda nepakankama įtampa?

Impulsų pločio moduliavimas - PWM

Valdymo grandinė generuoja stačiakampius impulsus, kurių dažnis ar pastovus periodas yra iš esmės tas pats. Šie impulsai parodyti 3 paveiksle.

3 pav. Kontroliniai impulsai

T yra impulso laikas, tranzistorius atidarytas, tp yra pauzės laikas, o tranzistorius yra uždarytas. Ti / T santykis vadinamas darbo ciklo darbo ciklu, žymimu D raide ir išreiškiamas %% arba paprasčiausiai skaičiais. Pavyzdžiui, kai D yra 50%, paaiškėja, kad D = 0,5.

Taigi, D gali kisti nuo 0 iki 1. Kai reikšmė D = 1, rakto tranzistorius yra visiško laidumo būsenoje, o esant D = 0 - išjungimo būsenoje, paprasčiausiai kalbant, jis yra uždarytas. Nesunku atspėti, kad esant D = 50% išėjimo įtampa bus lygi pusei įėjimo.

Visiškai akivaizdu, kad išėjimo įtampos reguliavimas atsiranda dėl pasikeitusio valdymo impulso t pločio ir iš tikrųjų pasikeitus koeficientui D. Šis reguliavimo principas vadinamas impulsų pločio moduliuotas PWM (PWM). Beveik visuose maitinimo šaltiniuose išėjimo įtampa stabilizuojama būtent PWM pagalba.

2 ir 6 paveiksluose parodytuose paveikslėliuose PWM yra „paslėptas“ stačiakampiuose su užrašu „Control circuit“, kuris atlieka keletą papildomų funkcijų. Pavyzdžiui, tai gali būti sklandi išėjimo įtampos pradžia, nuotolinis įjungimas arba keitiklio apsauga nuo trumpojo jungimo.

Apskritai keitikliai buvo naudojami taip plačiai, kad įmonės, gaminančios elektroninius komponentus, pritaikytus PWM valdikliams, visoms progoms. Asortimentas yra toks didelis, kad norint juos išvardyti, jums reikės visos knygos. Todėl niekam nėra sunku surinkti keitiklius ant atskirų elementų arba, kaip jie dažnai sako, apie „birius miltelius“.

Be to, mažos talpos paruoštus keitiklius už nedidelę kainą galima nusipirkti „Aliexpress“ arba „Ebay“. Tuo pačiu metu, norint įdiegti į mėgėjišką dizainą, pakanka lituoti įvesties ir išvesties laidus prie plokštės ir nustatyti reikiamą išėjimo įtampą.

Grįžkime prie 3 paveikslo. Šiuo atveju koeficientas D nustato, kiek laiko bus atidaryta (1 fazė) arba uždaryta (2 fazė). rakto tranzistorius. Šių dviejų etapų schemą galite įsivaizduoti dviem paveikslais. Paveikslėliai NEMOKAMA tų elementų, kurie šioje fazėje nenaudojami.

4 pav. 1 fazė

Kai tranzistorius atidarytas, srovė iš energijos šaltinio (galvaninio elemento, akumuliatoriaus, lygintuvo) praeina per indukcinį droselį L, apkrovą Rн ir įkrovimo kondensatorių Cout. Tokiu atveju per apkrovą teka srovė, kondensatorius Cout ir induktorius L kaupia energiją. Srovė iL palaipsniui didėja, daro įtaką induktoriaus induktyvumui. Ši fazė vadinama siurbline.

Po to, kai apkrovos įtampa pasiekia nustatytą vertę (kurią nustato valdymo įtaiso nustatymai), tranzistorius VT užsidaro, o prietaisas pereina į antrąją fazę - iškrovos fazę. Paveikslėlyje uždarytas tranzistorius visai nerodomas, tarsi jo nėra. Bet tai reiškia tik tai, kad tranzistorius uždarytas.

5 pav. 2 fazė

Kai tranzistorius VT yra uždarytas, induktoriuje energijos papildyti nereikia, nes maitinimo šaltinis yra atjungtas. Induktyvumas L yra skirtas užkirsti kelią srovės (savaiminės indukcijos), tekančios per induktoriaus apviją, dydžiui ir krypčiai.

Todėl srovė negali akimirksniu sustoti ir užsidaro per diodo apkrovos grandinę. Dėl šios priežasties VD diodas vadinamas bituoju. Paprastai tai yra greitaeigis Schottky diodas. Po 2 fazės valdymo laikotarpio grandinė pereina į 1 fazę, procesas pakartojamas dar kartą. Didžiausia įtampa nagrinėjamos grandinės išvestyje gali būti lygi įėjimui ir ne daugiau. Norint gauti didesnę nei įvesties įtampą, naudojami padidinimo keitikliai.

Reikėtų pažymėti, kad iš tikrųjų ne viskas yra taip paprasta, kaip parašyta aukščiau: daroma prielaida, kad visi komponentai yra tobuli, t. įjungimas ir išjungimas įvyksta nedelsiant, o aktyvusis pasipriešinimas yra lygus nuliui. Praktiškai gaminant tokias schemas, reikia atsižvelgti į daugelį niuansų, nes daug kas priklauso nuo naudojamų komponentų kokybės ir įrenginio parazitinės talpos. Tik apie tokią paprastą detalę kaip droselis (na, tiesiog vielos ritė!), Galite parašyti ne vieną straipsnį.

Šiuo metu tereikia priminti patį induktyvumo dydį, kuris lemia du smulkintuvo darbo režimus. Esant nepakankamam induktyvumui, keitiklis veiks nepertraukiamo srovės režimu, o tai visiškai nepriimtina maitinimo šaltiniams.

Jei induktyvumas yra pakankamai didelis, tada darbas vyksta nenutrūkstamų srovių režimu, kuris leidžia naudoti išvesties filtrus, norint gauti pastovią įtampą su priimtinu virpėjimo lygiu. Nepertraukiamo srovės režime taip pat veikia pagreičio keitikliai, kurie bus aprašyti žemiau.

Tam tikram efektyvumo padidinimui VD išlydžio diodas yra pakeistas MOSFET tranzistoriumi, kurį reikiamu metu atidaro valdymo grandinė. Tokie keitikliai vadinami sinchroniniais. Jų naudojimas yra pateisinamas, jei keitiklio galia yra pakankamai didelė.

Padidinkite arba padidinkite padidinimo keitiklius

„Boost“ keitikliai dažniausiai naudojami žemos įtampos energijos tiekimui, pavyzdžiui, nuo dviejų iki trijų akumuliatorių, o kai kuriems komponentams reikia 12 ... 15 V, esant mažai suvartojamai srovei. Gana dažnai slėgio keitiklis trumpai ir aiškiai vadinamas žodžiu „stiprintuvas“.

6 pav. Spartintuvo keitiklio funkcinė schema

Įvesties įtampa Uin taikoma įvesties filtrui Cin ir jungiama prie nuosekliai sujungtų įrenginių induktorius L ir perjungimo tranzistorius VT. Prie ritės ir tranzistoriaus nutekėjimo jungties taško yra prijungtas diodas VD. Prie kito diodo gnybto prijungta apkrova Rн ir šunto kondensatorius Cout.

Tranzistorius VT valdomas valdymo grandine, generuojančia stabilų dažnio valdymo signalą su reguliuojamu darbo ciklu D, tokiu pačiu būdu, kaip aprašyta aukščiau kapotojo grandinės aprašyme (3 pav.). VD diodas tinkamu metu blokuoja apkrovą iš rakto tranzistoriaus.

Kai rakto tranzistorius atidarytas, ritės L iš dešinės pusės išėjimas yra prijungtas prie neigiamo maitinimo šaltinio Uin poliaus. Didėjanti srovė (veikiama induktyvumo įtakos) iš maitinimo šaltinio teka per ritę ir atvirą tranzistorių, energija kaupiama ritėje.

Šiuo metu VD diodas blokuoja apkrovą ir išvesties kondensatorių iš rakto grandinės, taip užkertant kelią išėjimo kondensatoriaus iškrovai per atvirą tranzistorių. Apkrovą šiuo metu maitina energija, kaupiama kondensatoriaus Cout. Natūralu, kad išėjimo kondensatoriaus įtampa krenta.

Kai tik išėjimo įtampa tampa šiek tiek mažesnė nei nurodyta (nustatoma pagal valdymo grandinės nustatymus), rakto tranzistorius VT užsidaro, o induktoriuje kaupiama energija per diodą VD įkrauna kondensatorių Cout, kuris maitina apkrovą. Tokiu atveju ritės L savaiminė indukcija EMF pridedama prie įvesties įtampos ir perkeliama į apkrovą, todėl išėjimo įtampa yra didesnė už įėjimo įtampą.

Kai išėjimo įtampa pasiekia nustatytą stabilizacijos lygį, valdymo grandinė atidaro tranzistorių VT, o procesas kartojamas iš energijos kaupimo fazės.

Universalūs keitikliai - SEPIC (vienpakopis pirminio induktoriaus keitiklis arba keitiklis su asimetriškai pakrautu pirminiu induktyvumu).

Tokie keitikliai dažniausiai naudojami, kai apkrova turi mažą galią, o įėjimo įtampa kinta didesne ar mažesne dalimi, palyginti su išvestimi.

7 pav. SEPIC keitiklio funkcinė schema

Tai labai panašu į stiprintuvo keitiklio grandinę, parodytą 6 paveiksle, tačiau joje yra papildomų elementų: kondensatorius C1 ir ritė L2. Būtent šie elementai užtikrina keitiklio veikimą įtampos mažinimo režimu.

SEPIC keitikliai naudojami tais atvejais, kai įėjimo įtampa labai skiriasi. Pavyzdys yra nuo 4 V – 35 V iki 1,23 V – 32 V „Boost Buck“ įtampos aukštyn / žemyn keitiklio reguliatorius. Būtent tokiu pavadinimu Kinijos parduotuvėse parduodamas keitiklis, kurio grandinė parodyta 8 paveiksle (norėdami padidinti, spustelėkite paveikslėlį).

8 pav. SEPIC keitiklio schema

9 paveiksle parodyta lentos išvaizda nurodant pagrindinius elementus.

9 pav. SEPIC keitiklio išvaizda

Paveiksle pavaizduotos pagrindinės dalys pagal 7 paveikslą. Turėtumėte atkreipti dėmesį į tai, ar yra dvi ritės L1 L2. Remiantis šia funkcija, galima nustatyti, kad tai yra būtent SEPIC keitiklis.

Įvesties plokštės įtampa gali būti nuo 4 iki 35 V. Tokiu atveju išėjimo įtampą galima sureguliuoti 1,23 ... 32 V ribose. Keitiklio veikimo dažnis yra 500 KHz. Maža 50 x 25 x 12 mm plokštė suteikia iki 25 vatų galią. Maksimali išėjimo srovė iki 3A.

Bet čia reikėtų pasakyti pastabą. Jei išėjimo įtampa yra nustatyta 10 V, tada išėjimo srovė negali būti didesnė kaip 2,5 A (25 W). Esant 5 V išėjimo įtampai ir maksimaliai 3A srovei, galia bus tik 15W. Svarbiausia čia nepersistengti: arba neviršyti didžiausios leistinos galios, arba neviršyti leistinos srovės.

Taip pat žiūrėkite: Perjungiamieji maitinimo šaltiniai - veikimo principas

Borisas Aladyshkinas