DC-DC konvertere

For at drive forskellige elektroniske udstyr bruges DC / DC-konvertere meget udbredt. De bruges i computerenheder, kommunikationsenheder, forskellige kontrol- og automatiseringskredsløb osv.

Transformator strømforsyninger

I traditionelle transformatorstrømforsyninger konverteres netspændingen af ​​en transformer, der sænkes ofte, til den ønskede værdi. reduceret spænding udbedret af en diodebro og udjævnes med et kondensatorfilter. Om nødvendigt placeres en halvlederstabilisator efter ensretteren.

Transformatorens strømforsyninger er normalt udstyret med lineære stabilisatorer. Der er mindst to fordele ved sådanne stabilisatorer: det er en lille pris og et lille antal dele i selen. Men disse fordele forbruges af lav effektivitet, da en betydelig del af indgangsspændingen bruges til at opvarme styringstransistoren, som er fuldstændig uacceptabel til at drive bærbare elektroniske enheder.

DC / DC-konvertere

Hvis udstyret drives af galvaniske celler eller batterier, er spændingskonvertering til det ønskede niveau kun muligt ved hjælp af DC / DC-konvertere.

Ideen er ganske enkel: en konstant spænding konverteres til vekslende spænding, som regel med en frekvens på flere titalls eller endda hundreder af kilohertz, den stiger (formindskes), og derefter udbedres den og ledes til belastningen. Sådanne konvertere kaldes ofte puls.

Et eksempel er boostkonverter fra 1,5V til 5V, bare udgangsspændingen på en computer USB. En lignende strømkonverter sælges på Aliexpress.

Fig. 1. 1,5V / 5V konverter

Pulsomformere er gode, idet de har høj effektivitet inden for 60..90%. En anden fordel ved impulsomformere er et bredt område af indgangsspændinger: indgangsspændingen kan være lavere end udgangsspændingen eller meget højere. Generelt kan DC / DC-konvertere opdeles i flere grupper.

Klassificering af konvertere

Step-down eller buck

Udgangsspændingen for disse omformere er som regel lavere end indgangen: uden særlige tab til opvarmning af kontroltransistoren kan du få en spænding på kun et par volt ved en indgangsspænding på 12 ... 50V. Udgangsstrømmen for sådanne omformere afhænger af behovet for belastningen, hvilket igen bestemmer konverterens kredsløb.

Et andet engelsk navn på chopper buck converter. En mulighed for at oversætte dette ord er en breaker. I den tekniske litteratur kaldes buck-konverteren undertiden en “chopper”. For nu skal du bare huske dette udtryk.

Step-up eller boost i engelsk terminologi

Udgangsspændingen for disse omformere er højere end indgangen. For eksempel kan der med en indgangsspænding på 5V opnås en udgang på op til 30V, derudover kan den kontinuerligt reguleres og stabiliseres. Boost-konvertere kaldes ofte boostere.

Universal konvertere - SEPIC

Udgangsspændingen for disse omformere holdes på et forudbestemt niveau med en indgangsspænding både højere end indgangen og lavere. Det anbefales i tilfælde, hvor indgangsspændingen kan variere markant. F.eks. I en bil kan batterispændingen variere mellem 9 ... 14V, og du skal få en stabil spænding på 12V.

Inverterende konvertere - inverteringsomformer

Disse omformers hovedfunktion er at opnå udgangsspændingen med omvendt polaritet i forhold til strømkilden. Meget praktisk i tilfælde, hvor for eksempel bipolær ernæring er påkrævet til at drive op-forstærkeren.

Alle disse konvertere kan stabiliseres eller ustabiliseres, udgangsspændingen kan tilsluttes galvanisk til indgangen eller har galvanisk isolering af spændinger. Det hele afhænger af den specifikke enhed, som konverteren vil blive brugt i.

For at gå videre til den videre diskussion af DC / DC-konvertere, skal man i det mindste beskæftige sig med teorien.

Chopper down converter - konverter af buck type

Dets funktionelle diagram er vist på figuren herunder. Pilene på ledningerne viser strømningenes retning.

Fig. Funktionelt diagram over hakestabilisator

Indgangsspændingen Uin påføres inputfilteret - kondensator Cin. En VT-transistor bruges som et nøgleelement, den udfører højfrekvensstrømskifte. Det kunne være MOSFET-strukturstransistor, IGBT eller konventionel bipolær transistor. Foruden disse dele indeholder kredsløbet en udladningsdiode VD og et udgangsfilter - LCout, hvorfra spændingen kommer ind i belastningen RN.

Det er let at se, at belastningen er forbundet i serie med elementerne VT og L. Derfor er kredsløbet ensartet. Hvordan forekommer undervoltage?

Modulering af pulsbredde - PWM

Styringskredsløbet genererer rektangulære impulser med en konstant frekvens eller konstant periode, hvilket i det væsentlige er den samme ting. Disse impulser er vist i figur 3.

Fig. Kontrolimpulser

Her er t pulstiden, transistoren er åben, tp er pausetid, og transistoren er lukket. Ti / T-forholdet kaldes pligtcyklus pligtcyklus, betegnet med bogstavet D og udtrykkes i %% eller simpelthen i tal. For eksempel, med D lig med 50%, viser det sig, at D = 0,5.

D kan således variere fra 0 til 1. Med en værdi på D = 1 er nøgletransistoren i en tilstand af fuld ledningsevne, og ved D = 0 i en afskåret tilstand, simpelt set, lukkes den. Det er let at gætte, at udgangsspændingen ved D = 50% vil være lig med det halve input.

Det er helt åbenlyst, at reguleringen af ​​udgangsspændingen opstår på grund af en ændring i bredden af ​​kontrolpulsen t og faktisk en ændring i koefficienten D. Dette reguleringsprincip kaldes pulsbredde moduleret PWM (PWM). I næsten alle skiftekraftforsyninger er det netop ved hjælp af PWM, at udgangsspændingen er stabiliseret.

I diagrammerne vist i figur 2 og 6 er PWM "skjult" i rektanglerne med påskriften "Kontrolkredsløb", der udfører nogle yderligere funktioner. For eksempel kan det være en jævn start af udgangsspændingen, fjerntilslutning til eller beskyttelse af konverteren mod kortslutning.

Generelt blev konvertere så vidt brugt, at virksomheder, der producerede elektroniske komponenter arrangeret for PWM-controllere til alle lejligheder. Området er så stort, at bare for at liste dem, har du brug for en hel bog. Derfor forekommer det ikke nogen at samle omformere på diskrete elementer, eller som de ofte siger om "løst pulver".

Desuden kan færdige konvertere med lille kapacitet købes på Aliexpress eller Ebay til en lav pris. På samme tid til installation i et amatørmæssigt design er det nok at lodde indgangs- og udgangstrådene til tavlen og indstille den krævede udgangsspænding.

Men tilbage til vores figur 3. I dette tilfælde bestemmer koefficienten D, hvor lang tid der skal være åben (fase 1) eller lukket (fase 2) nøgletransistor. For disse to faser kan du forestille dig diagrammet i to figurer. Tallene viser IKKE de elementer, der ikke bruges i denne fase.

Fig. 4 Fase 1

Når transistoren er åben, passerer strømmen fra strømkilden (galvanisk celle, batteri, ensretter) gennem en induktiv choke L, en belastning RN og en ladekondensator Cout. I dette tilfælde strømmer en strøm gennem belastningen, kondensatoren Cout og induktoren L akkumulerer energi. Nuværende iL øges gradvist, effekten af ​​induktansen af ​​induktoren påvirker. Denne fase kaldes pumping.

Når spændingen ved belastningen når den indstillede værdi (bestemt af kontrolenhedens indstillinger), lukkes transistoren VT, og enheden bevæger sig til den anden fase - afladningsfasen. Den lukkede transistor i figuren vises slet ikke, som om den ikke eksisterede. Men dette betyder kun, at transistoren er lukket.

Fig. 5 Fase 2

Når transistoren VT er lukket, forekommer ikke påfyldning af energi i induktoren, da strømkilden er slukket. Induktans L har en tendens til at forhindre en ændring i størrelsen og retningen af ​​strømmen (selvinduktion), der strømmer gennem induktorviklingen.

Derfor kan strømmen ikke stoppe øjeblikkeligt og lukkes gennem diode-belastningskredsløbet. På grund af dette kaldes VD-dioden bit. Som regel er dette en Schottky-diode med høj hastighed. Efter kontrolperioden i fase 2 skifter kredsløbet til fase 1, processen gentages igen. Den maksimale spænding ved udgangen fra det betragtede kredsløb kan være lig med indgangen og ikke mere. For at opnå en udgangsspænding, der er større end indgangsspændingen, bruges boost-omformere.

Det skal bemærkes, at faktisk ikke alt er så enkelt som skrevet ovenfor: det antages, at alle komponenter er perfekte, dvs. tænding og slukning sker uden forsinkelse, og den aktive modstand er nul. Ved den praktiske fremstilling af sådanne skemaer skal der tages højde for mange nuancer, da meget afhænger af kvaliteten af ​​de anvendte komponenter og installationens parasitiske kapacitet. Kun om en så enkel detalje som en gasspjæld (ja, bare en trådspole!), Kan du skrive mere end en artikel.

Foreløbigt er det kun nødvendigt at huske værdien af ​​induktansen, der bestemmer to driftsmåder for chopperen. Med utilstrækkelig induktans fungerer konverteren i diskontinuerlig strømtilstand, hvilket er helt uacceptabelt for strømkilder.

Hvis induktansen er stor nok, foregår arbejdet i kontinuerlig strømtilstand, hvilket gør det muligt at bruge outputfiltrene til at opnå en konstant spænding med et acceptabelt krusningsniveau. I kontinuerlig strømtilstand fungerer step-up-konvertere også, hvilket vil blive beskrevet nedenfor.

For en vis stigning i effektiviteten erstattes VD-udladningsdioden med en MOSFET-transistor, som åbnes på det rigtige tidspunkt af kontrolkredsløbet. Sådanne konvertere kaldes synkrone. Deres anvendelse er berettiget, hvis omformerens styrke er stor nok.

Step-up eller boost boost-konvertere

Boost-omformere bruges hovedsageligt til lavspændingsforsyning, for eksempel fra to til tre batterier, og nogle komponenter kræver 12 ... 15 V med lavt strømforbrug. Ganske ofte kaldes boost-konverter kort og tydeligt ordet “booster”.

Fig. 6 Funktionelt diagram over boostkonverter

Indgangsspændingen Uin påføres inputfilteret Cin og påføres den seriekoblede spole L og skifte transistor VT. En diode VD er forbundet til forbindelsespunktet for spolen og afløbet på transistoren. En belastning RN og en shuntkondensator Cout er forbundet til den anden terminal på dioden.

Transistoren VT styres af et styrekredsløb, der genererer et stabilt frekvensstyresignal med en justerbar driftscyklus D på samme måde som beskrevet ovenfor i beskrivelsen af ​​chopperkredsløbet (fig. 3). VD-dioden på det rigtige tidspunkt blokerer belastningen fra nøgletransistoren.

Når nøgletransistoren er åben, er spolets L højre side-udgang forbundet med den negative pol i strømforsyningen Uin. Stigende strøm (virkningen af ​​induktans påvirker) fra strømkilden strømmer gennem spolen og en åben transistor, energi akkumuleres i spolen.

På dette tidspunkt blokerer VD-dioden belastningen og udgangskondensatoren fra nøglekredsløbet og forhindrer derved udledning af udgangskondensatoren gennem en åben transistor. Belastningen i dette øjeblik drives af den energi, der er gemt i kondensatoren Cout. Naturligvis falder spændingen over udgangskondensatoren.

Så snart udgangsspændingen bliver lidt lavere end den angivne (bestemt af kontrolkredsløbets indstillinger), lukkes nøgletransistoren VT, og energien, der er lagret i induktoren, genoplader kondensatoren Cout gennem dioden VD, der fører belastningen. I dette tilfælde tilføjes spolen Ls selvinduktion EMF til indgangsspændingen og overføres til belastningen, derfor er udgangsspændingen større end indgangsspændingen.

Når udgangsspændingen når det indstillede stabiliseringsniveau, åbner kontrolkredsløbet transistoren VT, og processen gentages fra energilagringsfasen.

Universal omformere - SEPIC (en-sluttet primærinduktorkonverter eller -konverter med asymmetrisk belastet primærinduktans).

Sådanne omformere bruges hovedsageligt, når belastningen har lav effekt, og indgangsspændingen ændres i forhold til udgangen op eller ned.

Fig. 7 Funktionsdiagram over SEPIC-konverteren

Meget lignende boostkonverterkredsløbet vist i figur 6, men har yderligere elementer: kondensator C1 og spole L2. Det er disse elementer, der sikrer driften af ​​konverteren i undervoltage-tilstand.

SEPIC-konvertere bruges i tilfælde, hvor indgangsspændingen varierer meget. Et eksempel er 4V-35V til 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter regulator. Det er under dette navn, at en konverter sælges i kinesiske butikker, hvis kredsløb er vist i figur 8 (klik på billedet for at forstørre).

Fig. 8 Skematisk diagram over SEPIC-konverteren

Figur 9 viser bordets udseende med betegnelsen af ​​hovedelementerne.

Fig. 9 Udseende af SEPIC-konverteren

Figuren viser hoveddelene i overensstemmelse med figur 7. Du skal være opmærksom på tilstedeværelsen af ​​to spoler L1 L2. Baseret på denne funktion kan det bestemmes, at dette netop er SEPIC-konverteren.

Boardets indgangsspænding kan være i området 4 ... 35V. I dette tilfælde kan udgangsspændingen justeres inden for 1,23 ... 32V. Konverterens driftsfrekvens er 500 kHz. Med en lille størrelse på 50 x 25 x 12 mm giver brættet strøm op til 25 watt. Maksimal udgangsstrøm op til 3A.

Men her skal der fremsættes en bemærkning. Hvis udgangsspændingen er indstillet til 10V, kan udgangsstrømmen ikke være højere end 2,5A (25W). Med en udgangsspænding på 5V og en maksimal strøm på 3A vil effekten kun være 15W. Det vigtigste her er ikke at overdrive det: enten må du ikke overskride den maksimalt tilladte effekt, eller ikke gå ud over den tilladte strøm.

Se også: Skift strømforsyning - driftsprincip

Boris Aladyshkin