Prevodníky DC-DC

Na napájanie rôznych elektronických zariadení sa veľmi často používajú prevodníky DC / DC. Používajú sa vo výpočtových zariadeniach, komunikačných zariadeniach, rôznych riadiacich a automatizačných obvodoch atď.

Napájacie zdroje transformátorov

Pri tradičných napájacích zdrojoch transformátorov sa napätie siete prevádza pomocou transformátora, najčastejšie zníženého, ​​na požadovanú hodnotu. znížené napätie usmernené pomocou diódového mostíka a vyhladené kondenzátorovým filtrom. Ak je to potrebné, za usmerňovač sa umiestni polovodičový stabilizátor.

Napájacie zdroje transformátorov sú obvykle vybavené lineárnymi stabilizátormi. Takéto stabilizátory majú prinajmenšom dve výhody: sú to malé náklady a malý počet častí v postroji. Tieto výhody sa však využívajú pri nízkej účinnosti, pretože podstatná časť vstupného napätia sa používa na zahrievanie riadiaceho tranzistora, čo je úplne neprijateľné na napájanie prenosných elektronických zariadení.

Prevodníky DC / DC

Ak je zariadenie napájané galvanickými článkami alebo batériami, potom je prevádzka napätia na požadovanú úroveň možná iba pomocou prevodníkov DC / DC.

Myšlienka je pomerne jednoduchá: konštantné napätie sa spravidla prevádza na striedavé napätie, s frekvenciou niekoľkých desiatok alebo dokonca stoviek kilometrov, stúpa (klesá) a potom sa usmerňuje a dodáva do záťaže. Takéto prevodníky sa často nazývajú impulzy.

Príkladom je zosilňovač prevodníka z 1,5 na 5 V, iba výstupné napätie z počítača USB. Podobný výkonový menič sa predáva na serveri Aliexpress.

Obr. 1. Prevodník 1,5V / 5V

Pulzné prevodníky sú dobré v tom, že majú vysokú účinnosť, v rozmedzí 60 - 90%. Ďalšou výhodou pulzných prevodníkov je široká škála vstupných napätí: vstupné napätie môže byť nižšie ako výstupné napätie alebo oveľa vyššie. Vo všeobecnosti možno meniče DC / DC rozdeliť do niekoľkých skupín.

Klasifikácia prevodníkov

Krok-dole alebo dolár

Výstupné napätie týchto prevodníkov je spravidla nižšie ako vstup: bez špeciálnych strát pri zahrievaní riadiaceho tranzistora môžete dosiahnuť vstupné napätie iba 12 V pri vstupnom napätí 12 ... 50 V. Výstupný prúd takýchto prevodníkov závisí od dopytu po záťaži, ktorá zase určuje obvody prevodníka.

Ďalší anglický názov pre prevodník buckov na chopper. Jednou z možností prekladu tohto slova je istič. V technickej literatúre sa prevodník buckov niekedy nazýva „chopper“. Zatiaľ si len zapamätajte tento výraz.

Zintenzívnenie alebo posilnenie anglickej terminológie

Výstupné napätie týchto prevodníkov je vyššie ako vstup. Napríklad pri vstupnom napätí 5 V je možné získať výstup až 30 V a je možná jeho plynulá regulácia a stabilizácia. Prevodníky zosilňovača sa často nazývajú zosilňovače.

Univerzálne prevodníky - SEPIC

Výstupné napätie týchto prevodníkov je udržiavané na vopred stanovenej úrovni, pričom vstupné napätie je vyššie ako vstupné aj nižšie. Odporúča sa v prípadoch, keď sa vstupné napätie môže výrazne líšiť. Napríklad v automobile sa napätie batérie môže meniť medzi 9 ... 14V a potrebujete stabilné napätie 12V.

Invertujúce prevodníky - inverzné prevodníky

Hlavnou funkciou týchto prevodníkov je získanie výstupného napätia so spätnou polaritou vzhľadom na zdroj energie. Veľmi vhodné napríklad v prípadoch, keď sa vyžaduje bipolárna výživa na napájanie operačného zosilňovača.

Všetky tieto prevodníky môžu byť stabilizované alebo nestabilizované, výstupné napätie môže byť galvanicky spojené so vstupom alebo môže byť galvanicky oddelené napätie. Všetko záleží na konkrétnom zariadení, v ktorom sa prevodník použije.

Aby bolo možné pokračovať v ďalšej diskusii o konvertoroch DC / DC, je potrebné sa zaoberať aspoň touto teóriou.

Chopper down menič - dolárový menič

Jeho funkčný diagram je uvedený na obrázku nižšie. Šípky na drôtoch označujú smer prúdov.

Obr. Funkčná schéma stabilizátora sekačky

Vstupné napätie Uin sa privádza na vstupný filter - kondenzátor Cin. Tranzistor VT sa používa ako kľúčový prvok a vykonáva vysokofrekvenčné spínanie prúdu. Mohlo by to byť Tranzistor MOSFET, IGBT alebo konvenčný bipolárny tranzistor, Okrem týchto detailov obvod obsahuje výbojovú diódu VD a výstupný filter - LCout, z ktorého napätie vstupuje do záťaže Rн.

Je ľahké vidieť, že záťaž je sériovo spojená s prvkami VT a L. Preto je obvod konzistentný. Ako dochádza k podpätiu?

Modulácia šírky impulzu - PWM

Riadiaci obvod generuje pravouhlé impulzy s konštantnou frekvenciou alebo konštantnou periódou, čo je v podstate to isté. Tieto impulzy sú znázornené na obr.

Obr. Riadiace impulzy

Tu je čas impulzu, tranzistor je otvorený, tp je čas pauzy a tranzistor je uzavretý. Pomer ti / T sa nazýva pracovný cyklus v pracovnom cykle, označený písmenom D a je vyjadrený v %% alebo jednoducho v číslach. Napríklad s D rovným 50% sa zistí, že D = 0,5.

D sa teda môže meniť od 0 do 1. Pri hodnote D = 1 je tranzistorový kľúč v stave plnej vodivosti a pri D = 0 v odpojenom stave, jednoducho povedané, je uzavretý. Je ľahké uhádnuť, že pri D = 50% bude výstupné napätie rovné polovici vstupu.

Je celkom zrejmé, že k regulácii výstupného napätia dochádza v dôsledku zmeny šírky riadiaceho impulzu ta v skutočnosti aj zmeny koeficientu D. Tento princíp regulácie sa nazýva PWM modulovaný šírkou impulzu (PWM). Takmer vo všetkých spínacích zdrojoch je výstupné napätie stabilizované presne pomocou PWM.

Na obrázkoch 2 a 6 je PWM v obdĺžnikoch „skrytý“ s nápisom „Riadiaci obvod“, ktorý vykonáva niektoré ďalšie funkcie. Napríklad to môže byť plynulý štart výstupného napätia, diaľkové zapnutie alebo ochrana prevodníka proti skratu.

Vo všeobecnosti sa prevodníky používali tak často, že spoločnosti vyrábajúce elektronické komponenty usporiadané pre radiče PWM pre všetky príležitosti. Rozsah je taký veľký, že na jeho vymenovanie budete potrebovať celú knihu. Preto nikomu neprichádza zostavovať prevodníky na diskrétne prvky alebo ako často hovoria o „sypkom prášku“.

Okrem toho je možné za nízku cenu kúpiť ready-made prevodníky s malou kapacitou v Aliexpress alebo Ebay. Zároveň na inštaláciu v amatérskom prevedení stačí pripájať vstupné a výstupné vodiče k doske a nastaviť požadované výstupné napätie.

Ale späť k nášmu obrázku 3. V tomto prípade koeficient D určuje, koľko času bude otvorené (fáza 1) alebo zatvorené (fáza 2). tranzistor na kľúče, Pre tieto dve fázy si môžete predstaviť diagram na dvoch obrázkoch. Obrázky NEZOBRAZUJÚ tie prvky, ktoré sa v tejto fáze nepoužívajú.

Obr. Fáza 1

Keď je tranzistor otvorený, prúd zo zdroja energie (galvanický článok, batéria, usmerňovač) prechádza indukčnou tlmivkou L, záťažou Rн a nabíjacím kondenzátorom Cout. Súčasne prúdi cez záťaž prúd, kondenzátor Cout a induktor L akumulujú energiu. Prúd iL sa postupne zvyšuje, účinok indukčnosti induktora ovplyvňuje. Táto fáza sa nazýva čerpanie.

Keď napätie na záťaži dosiahne nastavenú hodnotu (určené nastavením ovládacieho zariadenia), tranzistor VT sa uzavrie a zariadenie sa presunie do druhej fázy - vybíjacej fázy. Uzavretý tranzistor na obrázku nie je vôbec znázornený, akoby neexistoval. Znamená to iba, že tranzistor je uzavretý.

Obr. Fáza 2

Keď je tranzistor VT uzavretý, nedochádza k žiadnemu doplňovaniu energie v induktore, pretože zdroj energie je odpojený. Indukčnosť L má tendenciu zabrániť zmenám veľkosti a smeru prúdu (samoindukcie) tečúceho indukčným vinutím.

Preto sa prúd nemôže okamžite zastaviť a uzavrie sa obvodom s diódovým zaťažením. Z tohto dôvodu sa VD dióda nazýva bit. Spravidla ide o vysokorýchlostnú schottkyho diódu. Po riadiacej perióde fázy 2 sa obvod prepne na fázu 1, proces sa opakuje znova. Maximálne napätie na výstupe uvažovaného obvodu sa môže rovnať vstupu, a nie viac. Na získanie výstupného napätia väčšieho ako vstupné napätie sa používajú zosilňovacie prevodníky.

Je potrebné poznamenať, že v skutočnosti nie je všetko také jednoduché, ako je uvedené vyššie: predpokladá sa, že všetky komponenty sú dokonalé, t.j. zapínanie a vypínanie nastáva bez oneskorenia a aktívny odpor je nulový. Pri praktickej výrobe takýchto schém sa musí brať do úvahy veľa nuancií, pretože veľa závisí od kvality použitých komponentov a parazitnej kapacity zariadenia. Iba o tak jednoduchých detailoch, ako je škrtiaca klapka (dobre, iba cievka drôtu!), Môžete napísať viac ako jeden článok.

Zatiaľ je potrebné len vyvolať hodnotu indukčnosti, ktorá určuje dva režimy choppera. Pri nedostatočnej indukčnosti bude prevodník pracovať v režime prerušeného prúdu, čo je pre zdroje energie úplne neprijateľné.

Ak je indukčnosť dostatočne veľká, potom sa pracuje v režime nevylúčiteľných prúdov, čo umožňuje použitie výstupných filtrov na získanie konštantného napätia s prijateľnou úrovňou zvlnenia. V režime nepretržitého prúdu pracujú aj zosilňovacie prevodníky, ktoré budú opísané nižšie.

Kvôli určitému zvýšeniu účinnosti je výbojová dióda VD nahradená tranzistorom MOSFET, ktorý je v správny čas otvorený riadiacim obvodom. Takéto prevodníky sa nazývajú synchrónne. Ich použitie je opodstatnené, ak je výkon prevodníka dostatočne veľký.

Zosilňovače alebo zosilňovače zosilnenia

Prevodníky Boost sa používajú hlavne na napájanie nízkeho napätia, napríklad na dve až tri batérie, a niektoré komponenty vyžadujú 12 ... 15 V s nízkou spotrebou prúdu. Pomerne často sa konvertor zosilnenia stručne a zreteľne nazýva slovo „booster“.

Obr. Funkčná schéma zosilňovača

Vstupné napätie Uin sa privádza na vstupný filter Cin a privádza sa k sériovo zapojeným induktor L a spínací tranzistor VT. Dióda VD je pripojená k bodu pripojenia cievky a odtoku tranzistora. K druhému terminálu diódy je pripojená záťaž R a skratový kondenzátor Cout.

Tranzistor VT je riadený riadiacim obvodom, ktorý vytvára stabilný kmitočetový riadiaci signál s nastaviteľným pracovným cyklom D, rovnakým spôsobom, ako je opísané vyššie v opise obvodu rezača (obr. 3). Dióda VD v správnom čase blokuje záťaž z kľúčového tranzistora.

Keď je kľúčový tranzistor otvorený, je pravý bočný výstup cievky L pripojený k zápornému pólu napájacieho zdroja Uin. Stúpajúci prúd (ovplyvňuje indukčnosť) zo zdroja energie tečie cievkou a otvoreným tranzistorom, energia sa hromadí v cievke.

V tomto okamihu VD dióda blokuje záťaž a výstupný kondenzátor z kľúčového obvodu, čím bráni vybitiu výstupného kondenzátora cez otvorený tranzistor. Zaťaženie je v tomto okamihu poháňané energiou uloženou v kondenzátore Cout. Napätie na výstupnom kondenzátore samozrejme klesá.

Hneď ako sa výstupné napätie mierne zníži na predpísané napätie (určené nastavením ovládacieho obvodu), tranzistorový kľúč VT sa uzavrie a energia uložená v induktore nabije kondenzátor Cout cez diódu VD, ktorá napája záťaž. V tomto prípade sa samoindukčný EMF cievky L pridá k vstupnému napätiu a prenáša sa na záťaž, takže výstupné napätie je vyššie ako vstupné napätie.

Keď výstupné napätie dosiahne nastavenú stabilizačnú úroveň, riadiaci obvod otvorí tranzistor VT a proces sa opakuje z fázy ukladania energie.

Univerzálne prevodníky - SEPIC (jednosmerný prevodník primárneho induktora alebo prevodník s asymetricky zaťaženou primárnou indukčnosťou).

Takéto prevodníky sa používajú hlavne vtedy, keď je záťaž nízka a vstupné napätie sa mení vo väčšej alebo menšej miere v porovnaní s výstupom.

Obr. Funkčná schéma prevodníka SEPIC

Je veľmi podobný obvodu zosilňovacieho prevodníka znázorneného na obrázku 6, má však ďalšie prvky: kondenzátor C1 a cievku L2. Práve tieto prvky zabezpečujú činnosť prevodníka v režime znižovania napätia.

Prevodníky SEPIC sa používajú v prípadoch, keď sa vstupné napätie veľmi líši. Príkladom je zosilňovač 4V-35V až 1,23V-32V zosilňovača zvyšovania napätia / zvyšovania napätia. Pod týmto menom sa konvertor predáva v čínskych obchodoch, ktorých obvod je zobrazený na obrázku 8 (kliknutím na obrázok ho zväčšíte).

Obr. Schematický diagram prevodníka SEPIC

Obrázok 9 zobrazuje vzhľad dosky s označením hlavných prvkov.

Obr. Vzhľad prevodníka SEPIC

Obrázok zobrazuje hlavné časti v súlade s obrázkom 7. Mali by ste venovať pozornosť prítomnosti dvoch cievok L1 L2. Na základe tejto funkcie je možné určiť, že sa jedná o prevodník SEPIC.

Vstupné napätie dosky môže byť v rozsahu 4 ... 35V. V takom prípade je možné výstupné napätie nastaviť v rozsahu 1,23 ... 32V. Prevádzková frekvencia prevodníka je 500 kHz a pri malej veľkosti 50 x 25 x 12 mm poskytuje doska energiu až 25 wattov. Maximálny výstupný prúd do 3A.

Ale tu je potrebné poznamenať. Ak je výstupné napätie nastavené na 10 V, výstupný prúd nesmie byť vyšší ako 2,5 A (25 W). Pri výstupnom napätí 5 V a maximálnom prúde 3 A bude výkon iba 15 W. Hlavnou vecou nie je to preháňať: neprekračovať maximálny povolený výkon alebo neprekračovať povolený prúd.

Pozri tiež: Spínané napájacie zdroje - princíp činnosti

Boris Aladyshkin