DC-DC converters

Om verschillende elektronische apparatuur van stroom te voorzien, worden DC / DC-converters zeer veel gebruikt. Ze worden gebruikt in computerapparatuur, communicatieapparatuur, verschillende regel- en automatiseringsschakelingen, enz.

Transformator voedingen

In traditionele transformatorvoedingen wordt de netspanning omgezet door een transformator, meestal verlaagd, naar de gewenste waarde. gereduceerde spanning gerectificeerd door een diodebrug en afgevlakt door een condensatorfilter. Indien nodig wordt een halfgeleiderstabilisator achter de gelijkrichter geplaatst.

Transformatorvoedingen zijn meestal uitgerust met lineaire stabilisatoren. Er zijn ten minste twee voordelen van dergelijke stabilisatoren: het zijn kleine kosten en een klein aantal onderdelen in het harnas. Maar deze voordelen worden verbruikt door een laag rendement, omdat een aanzienlijk deel van de ingangsspanning wordt gebruikt om de regeltransistor te verwarmen, wat volkomen onaanvaardbaar is voor het voeden van draagbare elektronische apparaten.

DC / DC-omzetters

Als de apparatuur wordt aangedreven door galvanische cellen of batterijen, is spanningsconversie naar het gewenste niveau alleen mogelijk met behulp van DC / DC-converters.

Het idee is vrij eenvoudig: een constante spanning wordt in de regel omgezet in wisselspanning, met een frequentie van enkele tientallen of zelfs honderden kilohertz, deze stijgt (daalt) en wordt vervolgens gelijkgericht en aan de belasting toegevoerd. Dergelijke converters worden vaak pulse genoemd.

Een voorbeeld is de boost-converter van 1,5 V naar 5 V, alleen de uitgangsspanning van een computer-USB. Een vergelijkbare stroomomvormer wordt op AliExpress verkocht.

Fig. 1. 1.5V / 5V-omzetter

Pulsconverters zijn goed omdat ze een hoog rendement hebben, binnen 60..90%. Een ander voordeel van pulsomzetters is een breed scala aan ingangsspanningen: de ingangsspanning kan lager zijn dan de uitgangsspanning of veel hoger. Over het algemeen kunnen DC / DC-converters in verschillende groepen worden verdeeld.

Classificatie van converters

Step-down of bok

De uitgangsspanning van deze converters is in de regel lager dan de ingang: zonder speciale verliezen voor het verwarmen van de regeltransistor kunt u een spanning van slechts een paar volt krijgen met een ingangsspanning van 12 ... 50V. De uitgangsstroom van dergelijke converters hangt af van de vraag van de belasting, die op zijn beurt de schakelingen van de converter bepaalt.

Een andere Engelse naam voor de chopper buck converter. Een van de opties voor het vertalen van dit woord is een breker. In de technische literatuur wordt de buck-converter soms een "chopper" genoemd. Onthoud voor nu gewoon deze term.

Versterking of boost in Engelse terminologie

De uitgangsspanning van deze converters is hoger dan de ingang. Met een ingangsspanning van 5V kan bijvoorbeeld een uitgang worden verkregen tot 30V; bovendien kan deze continu worden geregeld en gestabiliseerd. Boost-converters worden vaak boosters genoemd.

Universele converters - SEPIC

De uitgangsspanning van deze converters wordt op een vooraf bepaald niveau gehouden met een ingangsspanning die zowel hoger is als de ingang en lager. Aanbevolen in gevallen waarin de ingangsspanning aanzienlijk kan variëren. In een auto kan de batterijspanning bijvoorbeeld variëren tussen 9 ... 14V en u wilt een stabiele spanning van 12V krijgen.

Omkerende converters - Omkerende converter

De belangrijkste functie van deze converters is het verkrijgen van de uitgangsspanning met omgekeerde polariteit ten opzichte van de stroombron. Zeer handig in gevallen waarin bijvoorbeeld bipolaire voeding nodig is om de op-amp aan te zetten.

Al deze converters kunnen worden gestabiliseerd of niet gestabiliseerd, de uitgangsspanning kan galvanisch worden verbonden met de ingang of galvanische isolatie van spanningen hebben. Het hangt allemaal af van het specifieke apparaat waarin de converter zal worden gebruikt.

Om door te gaan met de verdere bespreking van DC / DC-converters, moet men op zijn minst de theorie behandelen.

Chopper down converter - buck type converter

Het functionele diagram wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. De pijlen op de draden geven de stroomrichting aan.

Afb.2. Functioneel diagram van chopper-stabilisator

De ingangsspanning Uin wordt aangelegd op het ingangsfilter - condensator Cin. De VT-transistor wordt als sleutelelement gebruikt en voert hoogfrequente stroomschakeling uit. Het zou kunnen MOSFET-structuur transistor, IGBT of conventionele bipolaire transistor. Naast deze details bevat het circuit een ontladingsdiode VD en een uitgangsfilter - LCout, waaruit de spanning de belasting Rн binnengaat.

Het is gemakkelijk om te zien dat de belasting in serie is verbonden met de elementen VT en L. Daarom is het circuit consistent. Hoe ontstaat onderspanning?

Pulsbreedtemodulatie - PWM

Het regelcircuit genereert rechthoekige pulsen met een constante frequentie of constante periode, wat in wezen hetzelfde is. Deze pulsen worden getoond in figuur 3.

Afb.3. Stuurpulsen

Hier is t de pulstijd, de transistor is open, tp is de pauzetijd en de transistor is gesloten. De ti / T-verhouding wordt duty cycle duty cycle genoemd, aangegeven met de letter D en wordt uitgedrukt in %% of eenvoudigweg in cijfers. Bijvoorbeeld, met D gelijk aan 50%, blijkt dat D = 0,5.

D kan dus variëren van 0 tot 1. Met een waarde van D = 1 bevindt de sleuteltransistor zich in een volledige geleidbaarheid en bij D = 0 in een afsluitende toestand is deze eenvoudig gesloten. Het is gemakkelijk te raden dat bij D = 50% de uitgangsspanning gelijk zal zijn aan de helft van de ingang.

Het is vrij duidelijk dat de regeling van de uitgangsspanning optreedt als gevolg van een verandering in de breedte van de stuurpuls t en in feite een verandering in de coëfficiënt D. Dit regelprincipe wordt genoemd pulsbreedte gemoduleerde PWM (PWM). In bijna alle schakelende voedingen is het precies met behulp van PWM dat de uitgangsspanning wordt gestabiliseerd.

In de schema's in figuren 2 en 6 is de PWM in de rechthoeken "verborgen" met het opschrift "Stuurcircuit", dat enkele extra functies uitvoert. Het kan bijvoorbeeld een soepele start van de uitgangsspanning zijn, inschakelen op afstand of bescherming van de omzetter tegen kortsluiting.

Over het algemeen werden converters zo veel gebruikt dat bedrijven die elektronische componenten produceerden, geschikt waren voor PWM-controllers voor alle gelegenheden. Het bereik is zo groot dat je gewoon een heel boek nodig hebt om ze op te sommen. Daarom komt het niemand voor om converters op afzonderlijke elementen te monteren, of zoals ze vaak op "losse poeder" zeggen.

Bovendien kunnen kant-en-klare converters met een kleine capaciteit worden gekocht bij AliExpress of Ebay voor een kleine prijs. Tegelijkertijd is het voor installatie in een amateuristisch ontwerp voldoende om de invoer- en uitvoerdraden aan de kaart te solderen en de vereiste uitvoerspanning in te stellen.

Maar terug naar onze figuur 3. In dit geval bepaalt de coëfficiënt D hoeveel tijd open (fase 1) of gesloten (fase 2) zal zijn sleuteltransistor. Voor deze twee fasen kunt u het diagram in twee figuren voorstellen. In de afbeeldingen WORDEN GEEN elementen weergegeven die in deze fase niet worden gebruikt.

Afb.4. Fase 1

Wanneer de transistor open is, gaat de stroom van de stroombron (galvanische cel, batterij, gelijkrichter) door een inductieve smoorspoel L, een belasting Rн en een laadcondensator Cout. Tegelijkertijd stroomt een stroom door de belasting, de condensator Cout en de inductor L verzamelen energie. De huidige iL neemt geleidelijk toe, het effect van de inductantie van de inductor wordt beïnvloed. Deze fase wordt pompen genoemd.

Nadat de spanning op de belasting de ingestelde waarde bereikt (bepaald door de instellingen van het besturingsapparaat), sluit de transistor VT en gaat het apparaat naar de tweede fase - de ontladingsfase. De gesloten transistor in de figuur wordt helemaal niet weergegeven, alsof deze niet bestond. Maar dit betekent alleen dat de transistor gesloten is.

Afb.5. Fase 2

Wanneer de transistor VT is gesloten, is er geen aanvulling van energie in de inductor, omdat de stroombron is losgekoppeld. Inductie L heeft de neiging om een ​​verandering in de grootte en richting van de stroom (zelfinductie) die door de spoel van de inductor stroomt te voorkomen.

Daarom kan de stroom niet onmiddellijk stoppen en sluit deze door het diode-laadcircuit. Daarom wordt de VD-diode bit genoemd. In de regel is dit een Schottky-diode met hoge snelheid. Na de besturingsperiode van fase 2 schakelt het circuit naar fase 1, het proces wordt opnieuw herhaald. De maximale spanning aan de uitgang van het beschouwde circuit kan gelijk zijn aan de ingang en niet meer. Om een ​​uitgangsspanning te verkrijgen die groter is dan de ingangsspanning, worden boost-converters gebruikt.

Opgemerkt moet worden dat in feite niet alles zo eenvoudig is als hierboven beschreven: er wordt aangenomen dat alle componenten perfect zijn, d.w.z. in- en uitschakelen gebeurt zonder vertraging en de actieve weerstand is nul. Bij de praktische vervaardiging van dergelijke schema's moet met veel nuances rekening worden gehouden, omdat veel afhangt van de kwaliteit van de gebruikte componenten en de parasitaire capaciteit van de installatie. Alleen over zo'n eenvoudig detail als een gasklep (nou ja, alleen een draad!), Je kunt meer dan één artikel schrijven.

Voor nu is het alleen nodig om de inductantiewaarde zelf op te roepen, die twee chopper-bedrijfsmodi bepaalt. Bij onvoldoende inductie werkt de omzetter in de discontinue stroommodus, wat volledig onaanvaardbaar is voor stroombronnen.

Als de inductie groot genoeg is, vindt het werk plaats in de continue stroommodus, waardoor de uitgangsfilters een constante spanning met een acceptabel rimpelniveau kunnen verkrijgen. In de continue stroommodus werken step-up-omzetters ook, die hieronder worden beschreven.

Voor enige verhoging van de efficiëntie wordt de VD-ontladingsdiode vervangen door een MOSFET-transistor, die op het juiste moment wordt geopend door het stuurcircuit. Dergelijke converters worden synchroon genoemd. Het gebruik ervan is gerechtvaardigd als het vermogen van de omzetter groot genoeg is.

Step-up of boost boost converters

Boost-omzetters worden voornamelijk gebruikt voor laagspanningsvoeding, bijvoorbeeld van twee tot drie batterijen, en sommige componenten vereisen 12 ... 15 V met een laag stroomverbruik. Heel vaak wordt de boost-converter kort en duidelijk het woord "booster" genoemd.

Afb.6. Functioneel diagram van boost-omzetter

De ingangsspanning Uin wordt aangelegd op het ingangsfilter Cin en aan de in serie geschakelde inductor L en schakeltransistor VT. Een diode VD is verbonden met het verbindingspunt van de spoel en afvoer van de transistor. Een belasting Rн en een shuntcondensator Cout zijn verbonden met de andere aansluiting van de diode.

De transistor VT wordt bestuurd door een stuurcircuit dat een stabiel frequentiebesturingssignaal genereert met een instelbare duty cycle D, op dezelfde manier als hierboven beschreven in de beschrijving van het choppercircuit (figuur 3). De VD-diode blokkeert op het juiste moment de belasting van de sleuteltransistor.

Wanneer de sleuteltransistor open is, is de rechteruitgang van de spoel L verbonden met de negatieve pool van de voeding Uin. Stijgende stroom (het effect van inductantie beïnvloedt) van de stroombron stroomt door de spoel en een open transistor, er wordt energie geaccumuleerd in de spoel.

Op dit moment blokkeert de VD-diode de belasting en de uitgangscondensator van het sleutelcircuit, waardoor de ontlading van de uitgangscondensator door een open transistor wordt voorkomen. De belasting op dit moment wordt aangedreven door de energie die is opgeslagen in de condensator Cout. Natuurlijk daalt de spanning over de uitgangscondensator.

Zodra de uitgangsspanning iets lager wordt dan de ingestelde waarde (bepaald door de instellingen van het regelcircuit), sluit de sleuteltransistor VT en laadt de in de inductor opgeslagen energie de condensator Cout op via de diode VD, die de belasting voedt. In dit geval wordt de zelfinductie EMF van de spoel L toegevoegd aan de ingangsspanning en overgedragen aan de belasting, daarom is de uitgangsspanning groter dan de ingangsspanning.

Wanneer de uitgangsspanning het ingestelde stabilisatieniveau bereikt, opent het regelcircuit de transistor VT en wordt het proces herhaald vanaf de fase van energieopslag.

Universele converters - SEPIC (single-ended primaire inductor converter of converter met asymmetrisch geladen primaire inductantie).

Dergelijke converters worden hoofdzakelijk gebruikt wanneer de belasting een laag vermogen heeft en de ingangsspanning in meer of mindere mate ten opzichte van de uitgang verandert.

Afb.7. Functioneel diagram van de SEPIC-omzetter

Het lijkt erg op het boost-omzettercircuit in figuur 6, maar heeft extra elementen: condensator C1 en spoel L2. Het zijn deze elementen die ervoor zorgen dat de omvormer in de modus van onderspanning werkt.

SEPIC-omzetters worden gebruikt in gevallen waarin de ingangsspanning sterk varieert. Een voorbeeld is de 4V-35V tot 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter Regulator. Het is onder deze naam dat een converter wordt verkocht in Chinese winkels, waarvan het circuit wordt weergegeven in figuur 8 (klik op de afbeelding om te vergroten).

Afb.8. Schematische weergave van de SEPIC-omzetter

Figuur 9 toont het uiterlijk van het bord met de aanduiding van de hoofdelementen.

Afb.9. Uiterlijk van de SEPIC Converter

De afbeelding toont de hoofdonderdelen in overeenstemming met figuur 7. Let op de aanwezigheid van twee spoelen L1 L2. Op basis van deze functie kan worden vastgesteld dat dit precies de SEPIC-converter is.

De ingangsspanning van de kaart kan in het bereik van 4 ... 35V liggen. In dit geval kan de uitgangsspanning worden ingesteld binnen 1,23 ... 32V. De werkfrequentie van de omzetter is 500 KHz, met een kleine afmeting van 50 x 25 x 12 mm levert het bord vermogen tot 25 watt. Maximale uitgangsstroom tot 3A.

Maar hier moet een opmerking worden gemaakt. Als de uitgangsspanning is ingesteld op 10V, kan de uitgangsstroom niet hoger zijn dan 2.5A (25W). Met een uitgangsspanning van 5V en een maximale stroom van 3A zal het vermogen slechts 15W zijn. Het belangrijkste hier is om het niet te overdrijven: overschrijd het maximale toegestane vermogen niet, of ga niet verder dan de toelaatbare stroom.

Zie ook: Schakelvoedingen - werkingsprincipe

Boris Aladyshkin