Enkla transformatorlösa pulsspänningsomvandlare

Många nybörjarskinkor har svårt att bestämma typen av strömförsörjning, men det är inte så svårt. De viktigaste metoderna för spänningskonvertering är att använda ett av två kretsalternativ:

• transformator;

• Transformatorlösa nätaggregat.

I sin tur skiljer sig transformatorer i typ av krets:

• Nätet, med en transformator som arbetar med en frekvens av 50 Hz;

• Puls med en transformator som arbetar med höga frekvenser (tiotusentals Hz).

Pulskretsar av kraftförsörjningar kan öka den slutliga produktens totala effektivitet genom att undvika statiska förluster på linjära stabilisatorer och andra element.

Transformatorlösa kretsar

Om det finns behov av ström från en 220 V hushållsströmförsörjning, kan de enklaste enheterna slås på från strömförsörjning med hjälp av ballastelement för att sänka spänningen. Ett allmänt känt exempel på en sådan kraftkälla är en ballastkondensatorkrets.

Det finns dock ett antal drivrutiner med inbyggd PWM-styrenhet och en strömnyckel för att bygga en transformatorfri pulsbockomvandlare, dessa är mycket vanliga i LED-glödlampor och annan teknik.

Vid ström från en likströmskälla, till exempel batterier eller andra galvaniska batterier, använd:

• Linjär spänningsstabilisator (en integrerad stabilisator av typen KREN eller L78xx med eller utan en genomströmningstransistor, en parametrisk stabilisator från en zenerdiod och en transistor)

• Pulsomvandlare (step-down - BUCK, step-up - BOOST eller step-up - BUCK-BOOST)

Fördelen med transformatorlösa strömförsörjningar och omvandlare är följande:

• Det finns inget behov av att linda transformatorn, konvertering utförs av gasreglaget och tangenterna;

• En konsekvens av det föregående är de små dimensionerna på kraftkällorna.

nackdelar:

• Frånvaron av galvanisk isolering, i händelse av fel på tangenterna leder till spänningen hos den primära kraftkällan. Detta är avgörande, särskilt om dess roll spelas av ett 220 V-nätverk;

• Fara för elektrisk stöt, till följd av galvanisk koppling;

• Induktorns stora dimensioner på högeffektsomvandlare tvivlar på genomförbarheten av att använda denna topologi av strömförsörjning. Med jämförbara vikt- och storleksindikatorer kan du använda en transformator, galvaniskt isolerad omvandlare.

De viktigaste varianterna av växlingsspänningsomvandlare

I inhemsk litteratur finns ofta förkortningen "IPPN", som står för: Puls Step-down (eller step-up, eller båda) Spänningsomvandlare

Som grund kan tre grundläggande scheman särskiljas.

1. IPPN1 - Step-down-omvandlare, i engelsk litteratur - BUCK DC CONVERTER eller Step-down.

2. IPPN2 - Boost-omvandlare, i engelsk litteratur - BOOST DC CONVERTER eller Step-up.

3. IPPN3 - Inverterande omvandlare med möjlighet att både öka och minska spänningen, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Hur fungerar en pulskonverterare?

Låt oss börja med att överväga principen om drift av det första schemat - IPPN1.

 

I schemat kan två kraftkretsar särskiljas:

1. "+" från strömkällan tillförs via en privat nyckel (transistor av vilken typ av motsvarande konduktivitet) som till LN (lagring choke), sedan strömmar strömmen genom lasten till "-" strömkällan.

2. Den andra kretsen är bildad av diod Д, gasspjäll LN och ansluten belastning RN.

När nyckeln är stängd passerar strömmen längs primärkretsen, ström flyter genom induktorn och energi ackumuleras i dess magnetfält. När vi stänger av (öppnar) nyckeln sprids energin i spolen i lasten medan strömmen flyter genom den andra kretsen.

Spänningen vid utgången (belastningen) för en sådan omvandlare är

Uout = Uin * Ku

Ku är omvandlingskoefficienten, som beror på driftscykeln för strömbrytarens styrpulser.

Ku = Uout / Uin

Driftcykeln "D" är förhållandet mellan tiden då nyckeln är öppen för PWM-perioden. "D" kan ta värden från 0 till 1.

VIKTIGT: För STI1 Ku = D. Detta innebär att regleringsgränserna för denna stabilisator är ungefär lika - 0 ... Uout.

Utgångsspänningen för en sådan omvandlare liknar polariteten som insignalen.

Hur förbättrar en puls spänningsomvandlare

IPPN2 - kan öka spänningen från matningsspänningen till ett värde som är tiotals gånger högre än den. Schematiskt består det av samma element som de föregående.

Varje omvandlare av denna typ har i sin sammansättning tre huvudsakliga aktiva ingredienser:

• Hanterad nyckel (bipolär, fält, IGBT, MOSFET-transistorer);

• Okontrollerad nyckel (likriktningsdiod);

• Kumulativ induktans.

Strömmen flyter alltid genom induktansen, bara dess storlek ändras.

För att förstå principen för drift av denna omvandlare måste du komma ihåg kopplingslagen för induktorn: "Strömmen genom induktorn kan inte ändras direkt."

Detta orsakas av ett fenomen som självinduktions-EMF eller mot-EMF. Eftersom induktansens elektromagnetiska fält förhindrar en plötslig förändring i strömmen, kan spolen representeras som en kraftkälla. Sedan i denna krets, när nyckeln stängs genom spolen, börjar en ström med stor storlek strömma, men, som har sagts skarpt, kan den inte öka.

Mot-EMF är ett fenomen när en EMF i ändarna av spolen verkar motsatt av vad som appliceras. Om du presenterar detta i diagrammet för tydlighet måste du föreställa dig induktorn i form av en EMF-källa.

Siffran “1” indikerar kretsens tillstånd när tangenten är stängd. Observera att kraftkällan och symbolen EMF-spolar är anslutna i serie med de positiva terminalerna, dvs. deras EMF-värden subtraheras. I detta fall förhindrar induktansen passering av elektrisk ström, eller snarare bromsar tillväxten. När det växer, efter ett visst konstant tidsintervall, minskar mot-EMF-värdet och strömmen genom induktansen ökar.

Lyrisk digression:

Värdet på EMF för självinduktion, som alla andra EMF, mäts i volt.

Under denna tidsperiod flyter huvudströmmen längs kretsen: strömkällans induktansstängd nyckel.

När nyckeln SA öppnas börjar krets 2. Strömmen strömmar längs en sådan krets: strömförsörjning-induktans-diodbelastning. Eftersom belastningsmotståndet, ofta mycket mer än en stängd transistors kanalmotstånd. I detta fall, återigen - strömmen som flyter genom induktansen kan inte förändras plötsligt, induktansen försöker alltid upprätthålla strömens riktning och storlek, därför visas mot-EMF igen, men i omvänd polaritet.

Lägg märke till hur polerna i strömkällan och EMF-källan som ersätter spolen i det andra diagrammet är anslutna. De är i serie anslutna med motsatta poler, och värdena på dessa EMF läggs till.

Således uppstår en ökning av spänningen.

Under processen för lagring av induktansenergi drivs belastningen av energi som tidigare lagrats i utjämningskondensatorn.

Konverteringskoefficienten i IPPN2 är

Ku = 1 / (1-D)

Som framgår av formeln - ju större D är arbetscykeln, desto större är utgångsspänningen. Polariteten för uteffekten är densamma som ingången för denna typ av omvandlare.

Hur gör inverteringsspänningsomvandlaren

Inverteringsspänningsomvandlaren är en ganska intressant anordning, eftersom den kan fungera både i spänningssänkande läge och i boost-läge. Det är emellertid värt att tänka på att polariteten för dess utgångsspänning är motsatt till ingången, dvs. den positiva potentialen är på den gemensamma tråden.

Inverteringen märks också i den riktning i vilken dioden D. är påslagen. Funktionsprincipen liknar IPPN2. Vid den tidpunkt då nyckeln T är stängd sker processen för att ackumulera induktansenergi, kraften från källan kommer inte in i belastningen på grund av dioden D. När nyckeln är stängd börjar induktansenergin att spridas i belastningen.

Strömmen fortsätter att strömma genom induktansen, en EMF för självinduktion inträffar, riktad på ett sådant sätt att en polaritet motsatt den primära kraftkällan bildas vid spolens ändar. dvs i korsningen mellan transistorns emitter (dränera, om fälteffekttransistor), bildar katoden på dioden och änden av spolindningen en negativ potential. I motsatt ände är respektive positiv.

Konverteringsfaktorn IPPN3 är lika med:

Ku = D / (1-D)

Genom enkla utbyten av fyllfaktorn i formeln bestämmer vi att upp till ett värde av D på 0,5 fungerar denna omvandlare som en nedkonverterare, och från ovan - som en uppkonverterare.

Hur man styr en sådan omvandlare?

Det är möjligt att beskriva alla alternativ för att konstruera PWM-kontroller under en oändligt lång tid; flera volymer teknisk litteratur kan skrivas om detta. Jag vill begränsa mig till att lista några enkla alternativ:

1. Sätt ihop en asymmetrisk multivibratorkrets. I stället för VT3 är en transistor ansluten i IPPN-kretsarna.

2. Ett lite mer komplicerat alternativ, men mer stabilt vad gäller frekvens PWM på NE555 (klicka på bilden för att förstora).

Gör ändringar på kretsen, VT1 är en transistor, vi ändrar kretsen så att på sin plats finns en transistor IPPN.

3. Alternativ att använda mikrokontroller, så att du också kan göra många ytterligare funktioner, för nybörjare fungerar de bra AVR-mikrokontroller. Det finns en underbar videohandledning om detta.

rön

Omkopplingsspänningsomvandlare är ett mycket viktigt ämne inom branschen för kraftförsörjning för elektronisk utrustning. Sådana kretsar används överallt, och nyligen, med tillväxten av "hemmagjord" eller som det nu är fashionabelt att kalla "DIY's" och populariteten på aliexpress-webbplatsen, har sådana omvandlare blivit särskilt populära och efterfrågade kan du beställa ett färdigt kretskort som redan har blivit en klassisk omvandlare för LM2596 och liknande för bara ett par dollar, medan du får möjlighet att justera spänningen eller strömmen, eller båda.

 

En annan populär styrelse är mini-360

Du kanske märker att det inte finns någon transistor i dessa kretsar. Faktum är att det är inbyggt i chipet, förutom att det finns en PWM-styrenhet, återkopplingskretsar för att stabilisera utgångsspänningen och mer. Dessa kretsar kan emellertid förstärkas genom att installera en ytterligare transistor.

Om du är intresserad av att designa en krets för dina behov kan du läsa mer om designförhållandena i följande litteratur:

• ”Komponenter för att bygga kraftkällor”, Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Stabiliserade transistoromvandlare" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.