Jednoduché beztransformátorové pulzné meniče napätia

Mnoho šuniek pre začiatočníkov je ťažké určiť druh napájania, ale nie je to také ťažké. Hlavnými metódami konverzie napätia je použitie jednej z dvoch obvodových možností:

• transformátor;

• Napájacie zdroje bez transformátorov.

Transformátory sa zase líšia typom obvodu:

• Sieť, s transformátorom pracujúcim na frekvencii 50 Hz;

• Pulzný, s transformátorom pracujúcim pri vysokých frekvenciách (desiatky tisíc Hz).

Impulzné obvody napájacích zdrojov môžu zvýšiť celkovú účinnosť konečného produktu tým, že sa vyhnú statickým stratám na lineárnych stabilizátoroch a iných prvkoch.

Beztransformátorové obvody

Ak je potrebné napájanie z domáceho napájacieho zdroja 220 V, najjednoduchšie zariadenia sa môžu zapnúť z napájacích zdrojov pomocou predradníkových prvkov na zníženie napätia. Všeobecne známym príkladom takého zdroja energie je záťažový kondenzátorový obvod.

Existuje však množstvo vodičov so vstavaným ovládačom Ovládač PWM a výkonový spínač na zostavenie beztransformátorového pulzného prevodníka bugov, tieto sú veľmi bežné LED žiarovky a ďalšie technológie.

V prípade napájania zo zdroja jednosmerného prúdu, napríklad z batérií alebo iných galvanických batérií, použite:

• Lineárny stabilizátor napätia (integrálny stabilizátor typu KEN alebo L78xx s priechodným tranzistorom alebo bez neho, parametrický stabilizátor zenerovej diódy a tranzistora)

• Pulzný menič (znižovanie - BUCK, zvyšovanie - BOOST alebo zvyšovanie - BUCK-BOOST)

Výhody beztransformátorových napájacích zdrojov a prevodníkov sú nasledujúce:

• Transformátor nie je potrebné navíjať, konverzia sa vykonáva pomocou škrtiacej klapky a kľúčov;

• Dôsledkom predchádzajúceho sú malé rozmery zdrojov energie.

nevýhody:

• Neprítomnosť galvanickej izolácie v prípade porúch kľúčov vedie k vzniku napätia primárneho zdroja energie. Toto je rozhodujúce najmä vtedy, ak jeho úlohu hrá sieť 220 V;

• Nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom v dôsledku galvanického spojenia;

• Veľké rozmery induktora na výkonných prevodníkoch spochybňujú uskutočniteľnosť použitia tejto topológie napájacích zdrojov. S porovnateľnými indikátormi hmotnosti a veľkosti môžete použiť transformátor, galvanicky izolovaný prevodník.

Hlavné druhy spínacích meničov napätia

V domácej literatúre sa často nachádza skratka „IPPN“, čo znamená: Pulse Step-down (alebo step-up, alebo oboje) napäťový menič

Na základe toho možno rozlíšiť tri základné schémy.

1. IPPN1 - Step-down prevodník, v anglickej literatúre - BUCK DC CONVERTER alebo Step-down.

2. IPPN2 - zosilňovač, anglická literatúra - BOOST DC CONVERTER alebo Step-up.

3. IPPN3 - Invertujúci prevodník s možnosťou zvýšenia aj zníženia napätia, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Ako funguje pulzný prevodník buckov?

Začnime uvažovaním o princípe fungovania prvej schémy - IPPN1.

 

V schéme je možné rozlišovať dva výkonové obvody:

1. „+“ zo zdroja energie sa dodáva prostredníctvom súkromného kľúča (tranzistor akéhokoľvek typu zodpovedajúcej vodivosti) do Lн (akumulačná tlmivka), potom prúd tečie cez záťaž do zdroja energie „-“.

2. Druhý obvod je vytvorený z dióda Д, škrtiaca klapka Lн a pripojená záťaž Rн.

Keď je kľúč zatvorený, prúd prechádza pozdĺž primárneho obvodu, prúd tečie induktorom a energia sa hromadí v jeho magnetickom poli. Keď vypneme (otvoríme) kľúč, energia uložená v cievke sa rozptýli do záťaže, zatiaľ čo prúd prúdi cez druhý obvod.

Napätie na výstupe (záťaži) takého prevodníka je

Uout = Uin * Ku

Ku je prepočítavací koeficient, ktorý závisí od pracovného cyklu riadiacich impulzov výkonového spínača.

Ku = Uout / Uin

Pracovný cyklus „D“ je pomer času, keď je kľúč otvorený do periódy PWM. "D" môže mať hodnoty od 0 do 1.

DÔLEŽITÉ: Pre STI1 Ku = D. To znamená, že regulačné limity tohto stabilizátora sú približne rovnaké - 0 ... Uout.

Výstupné napätie takéhoto prevodníka je polaritou podobné vstupnému napätiu.

Ako funguje pulzný zosilňovač napätia

IPPN2 - je schopný zvýšiť napätie z napájacieho napätia na hodnotu desaťkrát vyššiu ako je táto. Schematicky sa skladá z rovnakých prvkov ako predchádzajúci.

Akýkoľvek prevodník tohto typu má vo svojom zložení tri hlavné účinné látky:

• Spravovaný kľúč (bipolárny, poľný, Tranzistory IGBT, MOSFET);

• Nekontrolovaný kľúč (usmerňovacia dióda);

• Kumulatívna indukčnosť.

Prúd vždy tečie cez indukčnosť, iba jeho veľkosť sa mení.

Aby ste pochopili princíp činnosti tohto prevodníka, musíte pamätať na zákon o prepínaní induktora: „Prúd cez induktor sa nemôže okamžite zmeniť.“

Je to spôsobené javom, ako je samoindukčný EMF alebo counter-EMF. Pretože elektromagnetické pole indukčnosti zabraňuje náhlej zmene prúdu, cievka môže byť reprezentovaná ako zdroj energie. Potom v tomto obvode, keď sa kľúč uzatvára cievkou, začne tečať veľký prúd, ale, ako už bolo povedané ostro, nemôže sa zvyšovať.

Counter-EMF je jav, keď sa na koncoch cievky objaví EMF oproti použitému. Ak to uvediete v diagrame kvôli prehľadnosti, budete si musieť induktor predstaviť vo forme zdroja EMF.

Číslo „1“ označuje stav obvodu, keď je kľúč zatvorený. Upozorňujeme, že zdroj energie a symbol EMF cievky sú zapojené do série s kladnými svorkami, t. ich hodnoty EMF sa odpočítajú. V tomto prípade indukčnosť zabraňuje prechodu elektrického prúdu alebo skôr spomaľuje jeho rast. Ako rastie, po určitom konštantnom časovom intervale klesá hodnota počítadla EMF a zvyšuje sa prúd indukčnosti.

Lyrická digresia:

Hodnota samočinnej indukcie EMF, ako akýkoľvek iný EMF, sa meria vo voltoch.

Počas tohto časového obdobia prúdi hlavný prúd pozdĺž obvodu: kľúč napájania - indukčnosť - zatvorený.

Keď sa kľúč SA otvorí, okruh 2. Prúd začne pretekať týmto obvodom: napájanie - indukčnosť - zaťaženie diódou. Pretože odpor záťaže je často oveľa väčší ako kanálový odpor uzavretého tranzistora. V tomto prípade opäť - prúd tečúci cez indukčnosť sa nemôže náhle zmeniť, indukčnosť sa vždy snaží zachovať smer a veľkosť prúdu, preto sa znovu objaví počítadlo EMF, ale v opačnej polarite.

Všimnite si, ako sú v druhom diagrame zapojené póly zdroja energie a zdroja EMF nahrádzajúce cievku. Sú zapojené do série opačnými pólmi a hodnoty týchto EMF sa spočítajú.

Takto dôjde k zvýšeniu napätia.

Počas procesu ukladania indukčnej energie je záťaž poháňaná energiou, ktorá bola predtým uložená v vyhladzovacom kondenzátore.

Prepočítavací koeficient v IPPN2 je

Ku = 1 / (1-D)

Ako vidno zo vzorca - čím väčšie D je pracovný cyklus, tým väčšie je výstupné napätie. Polarita výstupného výkonu je rovnaká ako pri vstupe pre tento typ prevodníka.

Ako menič inverzného napätia

Invertor inverzného napätia je pomerne zaujímavé zariadenie, pretože môže pracovať v režime znižovania napätia aj v režime zvýšenia. Avšak stojí za zváženie, že polarita jeho výstupného napätia je opačná ako vstup, t.j. kladný potenciál je na spoločnom vodiči.

Inverzia je tiež zrejmá v smere, v ktorom je zapnutá dióda D. Princíp činnosti je trochu podobný IPPN2. V čase, keď je kľúč T zatvorený, nastáva proces akumulácie indukčnej energie, energia zo zdroja sa nedostane do záťaže v dôsledku diódy D. Keď je kľúč zatvorený, indukčná energia sa začína rozptýliť v záťaži.

Prúd ďalej tečie cez indukčnosť, dochádza k EMF samoindukcie, nasmerovanej takým spôsobom, že na koncoch cievky sa vytvorí polarita opačná k primárnemu zdroju energie. tj v spoji emitora tranzistora (odtok, ak tranzistor s efektom poľa), katóda diódy a koniec vinutia cievky tvoria negatívny potenciál. Na opačnom konci je pozitívny.

Prepočítavací faktor IPPN3 sa rovná:

Ku = D / (1-D)

Jednoduchými substitúciami faktora plnenia do vzorca určujeme, že až do hodnoty D 0,5 tento prevodník pôsobí ako prevodník nadol a zhora - ako prevodník nahor.

Ako ovládať taký prevodník?

Je možné popísať všetky možnosti nekonečného zostavovania PWM regulátorov, o tom možno písať niekoľko zväzkov technickej literatúry. Chcem sa obmedziť na zoznam niekoľkých jednoduchých možností:

1. Zostavte asymetrický multivibrátorový obvod. Namiesto VT3 je v obvodoch IPPN pripojený tranzistor.

2. Trochu komplikovanejšia možnosť, ale stabilnejšia z hľadiska frekvencie PWM na NE555 (kliknutím na obrázok ho zväčšíte).

Vykonajte zmeny na obvode, VT1 je tranzistor, obvod sme zmenili tak, že na jeho mieste je tranzistor IPPN.

3. Možnosť použitia mikroradič, takže môžete vykonávať aj mnoho ďalších funkcií, pre začiatočníkov budú dobre fungovať Mikrokontroléry AVR, K dispozícii je vynikajúca videonávod.

zistenie

Spínacie meniče napätia sú veľmi dôležitou témou v odbore napájacích zdrojov pre elektronické zariadenia. Takéto obvody sa používajú všade a nedávno, s rastom „domácich“ alebo ako je dnes módne nazývať „kutilské“ a popularitou webových stránok aliexpress, tieto prevodníky sa stali obzvlášť populárne a žiadané, môžete si objednať hotovú dosku s plošnými spojmi, ktorá sa už stala klasickým prevodníkom pre LM2596 a podobne za pár dolárov, zatiaľ čo máte možnosť nastaviť napätie alebo prúd alebo oboje.

 

Ďalšou obľúbenou doskou je mini-360

Môžete si všimnúť, že v týchto obvodoch nie je tranzistor. Faktom je, že je zabudovaný do čipu, s výnimkou toho, že existuje PWM regulátor, obvody spätnej väzby na stabilizáciu výstupného napätia a ďalšie. Tieto obvody sa však môžu zosilniť inštaláciou ďalšieho tranzistora.

Ak máte záujem navrhnúť obvod pre vaše potreby, môžete si prečítať viac o konštrukčných pomeroch v nasledujúcej literatúre:

• „Komponenty pre zdroje energie v budovách“, Michail Baburin, Alexey Pavlenko, skupina spoločností Symmetron

• "Stabilizované tranzistorové prevodníky" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.