Eenvoudige transformatorloze pulsspanningsomvormers

Veel beginnende hammen vinden het moeilijk om het type voeding te bepalen, maar het is niet zo moeilijk. De belangrijkste methoden voor spanningsconversie zijn om een ​​van de twee circuitopties te gebruiken:

• Transformer;

• Transformatorloze voedingen.

Op hun beurt verschillen transformatoren in het type circuit:

• Netvoeding, met een transformator die werkt op een frequentie van 50 Hz;

• Puls, met een transformator die op hoge frequenties werkt (tienduizenden Hz).

Pulscircuits van voedingen kunnen de algehele efficiëntie van het eindproduct verhogen, door statische verliezen op lineaire stabilisatoren en andere elementen te vermijden.

Transformatorloze circuits

Als er behoefte is aan stroom van een 220 V huishoudelijke stroomvoorziening, kunnen de eenvoudigste apparaten worden ingeschakeld via stroomtoevoer met ballastelementen om de spanning te verlagen. Een algemeen bekend voorbeeld van een dergelijke stroombron is een ballastcondensatorcircuit.

Er zijn echter een aantal stuurprogramma's met ingebouwd PWM-controller en een stroomschakelaar om een ​​transformatorloze pulse buck-converter te bouwen, deze zijn heel gebruikelijk in LED-lampen en andere technologie.

In het geval van stroom van een gelijkstroombron, bijvoorbeeld batterijen of andere galvanische batterijen, gebruikt u:

• Lineaire spanningsstabilisator (een integrale stabilisator van het type KREN of L78xx met of zonder een doorvoertransistor, een parametrische stabilisator van een zenerdiode en een transistor)

• Pulsconvertor (step-down - BUCK, step-up - BOOST of step-up - BUCK-BOOST)

Het voordeel van transformatorloze voedingen en converters zijn als volgt:

• Het is niet nodig om de transformator op te winden, conversie wordt uitgevoerd door de gashendel en sleutels;

• Een gevolg van het voorgaande zijn de kleine afmetingen van de stroombronnen.

nadelen:

• De afwezigheid van galvanische isolatie, met belangrijke storingen, leidt tot het verschijnen van spanning van de primaire stroombron. Dit is van cruciaal belang, vooral als de rol wordt gespeeld door een 220 V-netwerk;

• Gevaar voor elektrische schok als gevolg van galvanische koppeling;

• De grote afmetingen van de spoel op krachtige omzetters doen twijfel rijzen over de haalbaarheid van het gebruik van deze topologie van voedingen. Met vergelijkbare gewichts- en maatindicatoren kunt u een transformator, galvanisch geïsoleerde converter gebruiken.

De belangrijkste soorten schakelspanningomzetters

In de binnenlandse literatuur wordt vaak de afkorting "IPPN" gevonden, wat staat voor: Puls Step-down (of step-up, of beide) Spanningsomzetter

Als basis kunnen drie basisschema's worden onderscheiden.

1. IPPN1 - Step-down converter, in Engelse literatuur - BUCK DC CONVERTER of Step-down.

2. IPPN2 - Boost-omzetter, in Engelse literatuur - BOOST DC CONVERTER of Step-up.

3. IPPN3 - Omkerende converter met de mogelijkheid om zowel de spanning te verhogen als te verlagen, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Hoe werkt een gepulseerde buck-converter?

Laten we beginnen met het principe van de werking van het eerste schema te overwegen - IPPN1.

 

In het schema kunnen twee stroomcircuits worden onderscheiden:

1. "+" van de stroombron wordt via een privésleutel (transistor van elk type van de overeenkomstige geleidbaarheid) aan Lн (opslagchoke) geleverd, waarna de stroom door de belasting naar de "-" stroombron stroomt.

2. Het tweede circuit is gevormd uit diode Д, gasklep Lн en aangesloten belasting Rн.

Wanneer de sleutel wordt gesloten, stroomt de stroom langs het primaire circuit, stroomt de stroom door de spoel en wordt energie geaccumuleerd in het magnetische veld. Wanneer we de sleutel uitschakelen (openen), wordt de energie opgeslagen in de spoel gedissipeerd in de belasting, terwijl de stroom door het tweede circuit stroomt.

De spanning aan de uitgang (belasting) van een dergelijke omzetter is

Uout = Uin * Ku

Ku is de conversiecoëfficiënt die afhankelijk is van de werkcyclus van de stuurpulsen van de stroomschakelaar.

Ku = Uout / Uin

De duty cycle "D" is de verhouding tussen de tijd dat de sleutel openstaat voor de PWM-periode. "D" kan waarden van 0 tot 1 aannemen.

BELANGRIJK: voor STI1 Ku = D. Dit betekent dat de reguleringslimieten van deze stabilisator ongeveer gelijk zijn - 0 ... Uout.

De uitgangsspanning van een dergelijke omzetter is qua polariteit vergelijkbaar met de ingangsspanning.

Hoe werkt een puls-spanningsconvertor

IPPN2 - kan de spanning van de voedingsspanning verhogen tot een waarde die tientallen keren hoger is. Schematisch gezien bestaat het uit dezelfde elementen als de vorige.

Elke converter van dit type heeft in zijn samenstelling drie belangrijkste actieve ingrediënten:

• Beheerde sleutel (bipolair, veld, IGBT, MOSFET-transistors);

• Ongecontroleerde sleutel (gelijkrichterdiode);

• Cumulatieve inductie.

De stroom vloeit altijd door de inductie, alleen verandert de grootte.

Om het werkingsprincipe van deze converter te begrijpen, moet u de schakelwet voor de inductor in herinnering brengen: "De stroom door de inductor kan niet onmiddellijk veranderen."

Dit wordt veroorzaakt door een fenomeen zoals zelfinductie EMF of tegen-EMF. Omdat het elektromagnetische veld van de inductie een abrupte stroomverandering voorkomt, kan de spoel worden voorgesteld als een stroombron. Dan in dit circuit, wanneer de sleutel door de spoel sluit, begint een grote stroom te stromen, maar, zoals al gezegd is, kan deze niet toenemen.

Counter-EMF is een fenomeen wanneer aan het einde van de spoel een EMF verschijnt die tegengesteld is aan wat wordt toegepast. Als u dit voor de duidelijkheid in het diagram presenteert, moet u zich de inductantiespoel voorstellen als een bron van EMF.

Het cijfer "1" geeft de status van het circuit aan wanneer de sleutel wordt gesloten. Let op: de stroombron en het symbool EMF-spoelen zijn in serie geschakeld met de positieve klemmen, d.w.z. hun EMF-waarden worden afgetrokken. In dit geval voorkomt de inductie de doorgang van elektrische stroom, of vertraagt ​​hij liever de groei ervan. Naarmate het groeit, na een bepaald constant tijdsinterval, neemt de waarde van de tegen-EMF af en neemt de stroom door de inductie toe.

Lyrische uitweiding:

De waarde van de EMF van zelfinductie, zoals elke andere EMF, wordt gemeten in Volt.

Gedurende deze tijdsperiode stroomt de hoofdstroom langs het circuit: sleutel met inductantie-gesloten stroombron.

Wanneer de sleutel SA opent, begint circuit 2. De stroom begint langs zo'n circuit te stromen: voeding-inductantie-diode-belasting. Sinds de belastingsweerstand, vaak veel meer dan de kanaalweerstand van een gesloten transistor. In dit geval, nogmaals - kan de stroom die door de inductantie stroomt niet abrupt veranderen, de inductantie probeert altijd de richting en de grootte van de stroom te handhaven, daarom verschijnt de tegen-EMF opnieuw, maar in omgekeerde polariteit.

Merk op hoe in het tweede diagram de polen van de stroombron en de EMF-bron die de spoel vervangt, zijn verbonden. Ze zijn in serie verbonden door tegenovergestelde polen, en de waarden van deze EMF zijn opgeteld.

Er treedt dus een toename van de spanning op.

Tijdens het proces van het opslaan van inductantie-energie, wordt de belasting aangedreven door energie die eerder werd opgeslagen in de afvlakcondensator.

De conversiecoëfficiënt in IPPN2 is

Ku = 1 / (1-D)

Zoals te zien is in de formule - hoe groter D de duty cycle is, hoe groter de uitgangsspanning. De polariteit van het uitgangsvermogen is hetzelfde als de ingang voor dit type converter.

Hoe werkt de inverterende spanningsomzetter

De inverterende spanningsomvormer is een vrij interessant apparaat, omdat deze zowel in de spanningsverlagende modus als in de boost-modus kan werken. Het is echter de moeite waard om te overwegen dat de polariteit van zijn uitgangsspanning tegengesteld is aan de ingang, d.w.z. positief potentieel ligt op de gemeenschappelijke draad.

Omkering is ook merkbaar in de richting waarin de diode D. is ingeschakeld.Het werkingsprincipe is een beetje vergelijkbaar met IPPN2. Op het moment dat de sleutel T wordt gesloten, vindt het proces van het accumuleren van inductantie-energie plaats, komt het vermogen van de bron niet in de belasting door diode D. Wanneer de sleutel wordt gesloten, begint de inductantie-energie in de belasting te dissiperen.

De stroom blijft door de inductie stromen, er treedt een EMF van zelfinductie op, zodanig gericht dat aan de uiteinden van de spoel een polariteit wordt gevormd die tegengesteld is aan de primaire stroombron. ie op de kruising van de emitter van de transistor (afvoer, indien veldeffecttransistor), vormt de kathode van de diode en het uiteinde van de spoelwikkeling een negatieve potentiaal. Aan het andere uiteinde is respectievelijk positief.

De conversiefactor IPPN3 is gelijk aan:

Ku = D / (1-D)

Door eenvoudige substituties van de vulfactor in de formule, bepalen we dat deze converter tot een waarde van D van 0,5 werkt als een down-converter en van bovenaf naar een up-converter.

Hoe een dergelijke converter te besturen?

Het is mogelijk om alle opties voor het bouwen van PWM-controllers voor een oneindig lange tijd te beschrijven; er kunnen verschillende volumes technische literatuur over worden geschreven. Ik wil me beperken tot een paar eenvoudige opties:

1. Stel een asymmetrisch multivibratorcircuit samen. In plaats van VT3 is een transistor aangesloten op de IPPN-circuits.

2. Een iets gecompliceerdere optie, maar stabieler qua frequentie, is PWM op NE555 (klik op de afbeelding om te vergroten).

Breng wijzigingen aan in het circuit, VT1 is een transistor, we veranderen het circuit zodat er in plaats daarvan een transistor IPPN is.

3. Optie om te gebruiken microcontroller, dus je kunt ook veel extra functies uitvoeren, voor beginners werken ze goed AVR-microcontrollers. Er is een prachtige video-tutorial hierover.

bevindingen

Schakelspanningomzetters zijn een zeer belangrijk onderwerp in de industrie van voedingen voor elektronische apparatuur. Dergelijke circuits worden overal gebruikt, en sinds kort, met de groei van "zelfgemaakt" of zoals het nu in de mode is om "doe-het-zelf" te noemen en de populariteit van de AliExpress-website, zijn dergelijke converters bijzonder populair geworden en in vraag, kunt u een kant-en-klaar printplaat bestellen die al een klassieke converter is geworden voor LM2596 en dergelijke voor slechts een paar dollar, terwijl u de mogelijkheid krijgt om de spanning of stroom of beide aan te passen.

 

Een ander populair bord is de mini-360

Je merkt misschien dat er geen transistor in deze circuits zit. Het feit is dat het in de chip is ingebouwd, behalve dat er een PWM-controller is, feedbackcircuits voor het stabiliseren van de uitgangsspanning en meer. Deze circuits kunnen echter worden versterkt door een extra transistor te installeren.

Als u geïnteresseerd bent in het ontwerpen van een circuit voor uw behoeften, kunt u meer lezen over de ontwerpverhoudingen in de volgende literatuur:

• "Componenten voor het bouwen van energiebronnen", Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Stabilized Transistor Converters" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.