Conversores simples de tensão de pulso sem transformador

Muitos presuntos iniciantes acham difícil determinar o tipo de fonte de alimentação, mas não é tão difícil. Os principais métodos de conversão de tensão são usar uma das duas opções de circuitos:

• Transformador;

• Fontes de alimentação sem transformador.

Por sua vez, os transformadores diferem no tipo de circuito:

• Rede elétrica, com um transformador operando a uma frequência de 50 Hz;

• Pulso, com um transformador operando em altas frequências (dezenas de milhares de Hz).

Os circuitos de pulso das fontes de alimentação podem aumentar a eficiência geral do produto final, evitando perdas estáticas em estabilizadores lineares e outros elementos.

Circuitos sem transformador

Se houver necessidade de energia de uma fonte de alimentação doméstica de 220 V, os dispositivos mais simples podem ser ligados a partir de fontes de alimentação usando elementos de lastro para diminuir a tensão. Um exemplo amplamente conhecido de tal fonte de energia é um circuito de capacitor de lastro.

No entanto, existem vários drivers com built-in Controlador PWM e uma chave de poder para construir um conversor de pulso sem transformador, isso é muito comum em Lâmpadas LED e outra tecnologia.

No caso de energia de uma fonte de corrente contínua, por exemplo, baterias ou outras baterias galvânicas, use:

• Estabilizador de tensão linear (estabilizador do tipo KEN ou L78xx integral com ou sem transistor de passagem, estabilizador paramétrico do diodo zener e transistor)

• Conversor de pulso (abaixar - BUCK, intensificar - BOOST ou intensificar - BUCK-BOOST)

As vantagens de fontes de alimentação e conversores sem transformador são as seguintes:

• Não há necessidade de enrolar o transformador, a conversão é realizada pelo acelerador e chaves;

• Uma conseqüência do anterior são as pequenas dimensões das fontes de energia.

Desvantagens:

• A ausência de isolamento galvânico, em caso de mau funcionamento das teclas, leva ao aparecimento de tensão da fonte de energia primária. Isso é crítico, especialmente se seu papel for desempenhado por uma rede de 220 V;

• Perigo de choque elétrico devido ao acoplamento galvânico;

• As grandes dimensões do indutor nos conversores de alta potência põem em dúvida a viabilidade do uso dessa topologia de fontes de alimentação. Com indicadores comparáveis ​​de peso e tamanho, você pode usar um transformador, isolado galvanicamente.

As principais variedades de comutação de conversores de tensão

Na literatura doméstica, a abreviação "IPPN" é frequentemente encontrada, que significa: Conversor de tensão com redução de pulso (ou intensificação ou ambos)

Como base, três esquemas básicos podem ser distinguidos.

1. IPPN1 - Conversor de redução, na literatura em inglês - BUCK DC CONVERTER ou Step-down.

2. IPPN2 - Conversor Boost, na literatura em inglês - BOOST DC CONVERTER ou Step-up.

3. IPPN3 - Conversor inversor com a possibilidade de aumentar e diminuir a tensão, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Como um conversor pulsado de buck funciona?

Vamos começar considerando o princípio de operação do primeiro esquema - IPPN1.

 

No esquema, dois circuitos de potência podem ser distinguidos:

1. "+" da fonte de energia é fornecido através de uma chave privada (transistor de qualquer tipo da condutividade correspondente) para Ln (estrangulamento de armazenamento), então a corrente flui através da carga para a fonte de energia "-".

2. O segundo circuito é formado a partir de diodo Д, estrangule Lн e carga conectada Rн.

Quando a chave é fechada, a corrente passa ao longo do circuito primário, a corrente flui através do indutor e a energia é acumulada em seu campo magnético. Quando desligamos (abrimos) a chave, a energia armazenada na bobina é dissipada na carga, enquanto a corrente flui através do segundo circuito.

A tensão na saída (carga) de tal conversor é

Uout = Uin * Ku

Ku é o coeficiente de conversão, que depende do ciclo de trabalho dos pulsos de controle do interruptor de alimentação.

Ku = Uout / Uin

O ciclo de serviço "D" é a proporção do tempo em que a chave está aberta para o período PWM. "D" pode assumir valores de 0 a 1.

IMPORTANTE: Para STI1 Ku = D. Isso significa que os limites de regulação deste estabilizador são aproximadamente iguais - 0 ... Uout.

A tensão de saída desse conversor é semelhante em polaridade à tensão de entrada.

Como um conversor de tensão de impulso de pulso

IPPN2 - é capaz de aumentar a tensão da tensão de alimentação para um valor dezenas de vezes maior que ele. Esquematicamente, consiste nos mesmos elementos que o anterior.

Qualquer conversor deste tipo tem em sua composição três principais ingredientes ativos:

• Chave gerenciada (bipolar, campo, Transistores IGBT e MOSFET);

• Chave não controlada (diodo retificador);

• Indutância cumulativa.

A corrente sempre flui através da indutância, apenas sua magnitude muda.

Para entender o princípio de operação deste conversor, é necessário lembrar a lei de comutação do indutor: "A corrente no indutor não pode mudar instantaneamente".

Isso é causado por um fenômeno como EMF de auto-indução ou contra-EMF. Como o campo eletromagnético da indutância evita uma mudança abrupta na corrente, a bobina pode ser representada como uma fonte de energia. Então, neste circuito, quando a chave é fechada através da bobina, uma corrente de grande magnitude começa a fluir, mas, como foi dito claramente, ela não pode aumentar.

Counter-EMF é um fenômeno quando nas extremidades da bobina um EMF aparece oposto ao que é aplicado. Se você apresentar isso no diagrama para maior clareza, terá que imaginar o indutor na forma de uma fonte de CEM.

O número "1" indica o estado do circuito quando a chave é fechada. Observe que a fonte de alimentação e o símbolo EMF são conectados em série aos terminais positivos, ou seja, seus valores EMF são subtraídos. Nesse caso, a indutância impede a passagem de corrente elétrica, ou melhor, diminui seu crescimento. À medida que cresce, após um determinado intervalo de tempo constante, o valor do contra-EMF diminui e a corrente através da indutância aumenta.

Digressão lírica:

O valor do CEM da auto-indução, como qualquer outro CEM, é medido em Volts.

Durante esse período, a corrente principal flui ao longo do circuito: chave de fonte de energia-indutância-fechada.

Quando a chave SA é aberta, o circuito 2. A corrente começa a fluir ao longo desse circuito: fonte de alimentação-indutância-diodo-carga. Desde a resistência da carga, geralmente muito mais do que a resistência do canal de um transistor fechado. Nesse caso, novamente - a corrente que flui através da indutância não pode mudar abruptamente, a indutância sempre procura manter a direção e a magnitude da corrente; portanto, o contra-EMF aparece novamente, mas em polaridade reversa.

Observe como no segundo diagrama os pólos da fonte de alimentação e da fonte EMF que substituem a bobina estão conectados. Eles são conectados em série por pólos opostos, e os valores desses campos eletromagnéticos são somados.

Assim, ocorre um aumento de tensão.

Durante o processo de armazenamento de energia de indutância, a carga é alimentada por energia que anteriormente era armazenada no capacitor de suavização.

O coeficiente de conversão em IPPN2 é

Ku = 1 / (1-D)

Como pode ser visto na fórmula - quanto maior D for o ciclo de trabalho, maior a tensão de saída. A polaridade da potência de saída é a mesma que a entrada para esse tipo de conversor.

Como o conversor de tensão invertida

O conversor de tensão inversora é um dispositivo bastante interessante, pois pode funcionar tanto no modo de redução de tensão quanto no modo de reforço. No entanto, vale considerar que a polaridade de sua tensão de saída é oposta à entrada, ou seja, potencial positivo está no fio comum.

A inversão também é perceptível na direção em que o diodo está ativado.O princípio de operação é um pouco semelhante ao IPPN2. No momento em que a chave T é fechada, ocorre o processo de acumulação de energia de indutância, a energia da fonte não entra na carga devido ao diodo D. Quando a chave é fechada, a energia de indutância começa a se dissipar na carga.

A corrente continua a fluir através da indutância, ocorre um CEM de auto-indução, direcionado de forma que uma polaridade oposta à fonte de energia primária seja formada nas extremidades da bobina. I.e. na junção do emissor do transistor (dreno, se transistor de efeito de campo), o cátodo do diodo e o final do enrolamento da bobina formam um potencial negativo. No extremo oposto, respectivamente, é positivo.

O fator de conversão IPPN3 é igual a:

Ku = D / (1-D)

Por simples substituições do fator de preenchimento na fórmula, determinamos que, até um valor de D de 0,5, esse conversor atua como um conversor descendente e, de cima - como um conversor ascendente.

Como controlar esse conversor?

É possível descrever todas as opções para a construção de controladores PWM infinitamente, vários volumes de literatura técnica podem ser escritos sobre isso. Quero me limitar a listar algumas opções simples:

1. Monte um circuito multivibrador assimétrico. Em vez de VT3, um transistor é conectado nos circuitos IPPN.

2. Uma opção um pouco mais complicada, mas mais estável em termos de frequência, é PWM on NE555 (clique na imagem para ampliar).

Faça alterações no circuito, VT1 é um transistor, alteramos o circuito para que, em seu lugar, exista um transistor IPPN.

3. Opção de usar microcontrolador, então você também pode executar muitas funções adicionais. Para iniciantes, elas funcionam bem Microcontroladores AVR. Há um maravilhoso vídeo tutorial sobre isso.

Conclusões

Os conversores de comutação de voltagem são um tópico muito importante na indústria de fontes de alimentação para equipamentos eletrônicos. Esses circuitos são usados ​​em todos os lugares e, recentemente, com o crescimento de "caseiros" ou como está na moda chamar de "bricolage" e a popularidade do site aliexpress, esses conversores tornaram-se especialmente populares e sob demanda, você pode solicitar uma placa de circuito pronta que já se tornou um conversor clássico para LM2596 e similares por apenas alguns dólares, enquanto você pode ajustar a tensão ou a corrente, ou ambas.

 

Outra placa popular é a mini-360

Você pode notar que não há transistor nesses circuitos. O fato é que ele está embutido no chip, exceto por um controlador PWM, circuitos de feedback para estabilizar a tensão de saída e muito mais. No entanto, esses circuitos podem ser amplificados com a instalação de um transistor adicional.

Se você estiver interessado em projetar um circuito para suas necessidades, poderá ler mais sobre as proporções de projeto na seguinte literatura:

• "Componentes para a construção de fontes de energia", Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Conversores de transistor estabilizados" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.