DC-DC-omformere

For å drive forskjellig elektronisk utstyr er DC / DC-omformere veldig mye brukt. De brukes i dataenheter, kommunikasjonsenheter, forskjellige kontroll- og automatiseringskretser, etc.

Transformator strømforsyninger

I tradisjonelle transformatorstrømforsyninger konverteres spenningen til nettet ved hjelp av en transformator, ofte senket, til ønsket verdi. redusert spenning utbedret av en diodebro og glattet ut med et kondensatorfilter. Om nødvendig plasseres en halvlederstabilisator etter likeretteren.

Transformatorens strømforsyninger er vanligvis utstyrt med lineære stabilisatorer. Det er minst to fordeler med slike stabilisatorer: det er en liten kostnad og et lite antall deler i selen. Men disse fordelene forbrukes av lav effektivitet, siden en betydelig del av inngangsspenningen brukes til å varme opp kontrolltransistoren, noe som er helt uakseptabelt for å drive bærbare elektroniske enheter.

DC / DC-omformere

Hvis utstyret drives av galvaniske celler eller batterier, er spenningskonvertering til ønsket nivå bare mulig ved hjelp av DC / DC-omformere.

Ideen er ganske enkel: en konstant spenning blir konvertert til vekslende spenning, som regel med en frekvens på flere titalls og til og med hundrevis av kilohertz, den stiger (avtar), og deretter blir den utbedret og tilført lasten. Slike omformere kalles ofte puls.

Et eksempel er boost-omformeren fra 1,5V til 5V, bare utgangsspenningen til en USB-datamaskin. En lignende kraftomformer selges på Aliexpress.

Fig. 1. 1,5V / 5V omformer

Pulsomformere er gode ved at de har høy effektivitet, innen 60..90%. En annen fordel med pulsomformere er et bredt spekter av inngangsspenninger: inngangsspenningen kan være lavere enn utgangsspenningen eller mye høyere. Generelt kan DC / DC-omformere deles inn i flere grupper.

Klassifisering av omformere

Step down eller buck

Utgangsspenningen til disse omformerne er som regel lavere enn inngangen: uten spesielle tap for oppvarming av kontrolltransistoren, kan du få en spenning på bare noen få volt ved en inngangsspenning på 12 ... 50V. Utgangsstrømmen til slike omformere avhenger av etterspørselen fra lasten, som igjen bestemmer kretsløpet til omformeren.

Et annet engelsk navn på chopper buck converter. Et av alternativene for å oversette dette ordet er en bryter. I teknisk litteratur kalles buck-omformeren noen ganger en “chopper”. For nå, bare husk dette begrepet.

Step-up eller boost i engelsk terminologi

Utgangsspenningen til disse omformerne er høyere enn inngangen. For eksempel, med en inngangsspenning på 5V, kan en utgang på opptil 30V oppnås, og dens jevn regulering og stabilisering er mulig. Boost-omformere kalles ofte boosters.

Universalkonvertere - SEPIC

Utgangsspenningen til disse omformerne holdes på et forhåndsbestemt nivå med en inngangsspenning både høyere enn inngangen og lavere. Det anbefales i tilfeller hvor inngangsspenningen kan variere betydelig. I en bil kan for eksempel batterispenningen variere mellom 9 ... 14V, og du må få en stabil spenning på 12V.

Inverterer omformere - inverterer omformer

Hovedfunksjonen til disse omformerne er å oppnå utgangsspenningen for revers polaritet i forhold til strømkilden. Veldig praktisk i tilfeller der det kreves bipolar ernæring, for eksempel for å drive op-forsterkeren.

Alle disse omformerne kan stabiliseres eller ustabiliseres, utgangsspenningen kan være galvanisk koblet til inngangen eller ha galvanisk isolasjon av spenninger. Det hele avhenger av den spesifikke enheten konverteren skal brukes i.

For å gå videre til den videre diskusjonen av DC / DC-omformere, bør man i det minste ta for seg teorien.

Chopper down converter - konvertor for buck type

Dets funksjonelle diagram er vist på figuren nedenfor. Pilene på ledningene indikerer strømmenes retning.

Fig. 2 Funksjonsdiagram over helikopterstabilisator

Inngangsspenningen Uin påføres inngangsfilteret - kondensator Cin. VT-transistoren brukes som et nøkkelelement, den utfører høyfrekvente strømbrytere. Det kan være MOSFET-strukturstransistor, IGBT eller konvensjonell bipolar transistor. I tillegg til disse detaljene inneholder kretsen en utladningsdiode VD og et utgangsfilter - LCout, hvorfra spenningen kommer inn i belastningen RN.

Det er lett å se at belastningen er koblet i serie med elementene VT og L. Derfor er kretsen konsistent. Hvordan oppstår underspenning?

Pulsbreddemodulasjon - PWM

Kontrollkretsen genererer rektangulære pulser med en konstant frekvens eller konstant periode, som egentlig er den samme tingen. Disse pulsene er vist i figur 3.

Fig. 3 Kontrollpulser

Her er t pulstiden, transistoren er åpen, tp er pausetid, og transistoren er stengt. Ti / T-forholdet kalles plikt syklus plikt syklus, betegnet med bokstaven D og er uttrykt i %% eller ganske enkelt i tall. For eksempel, med D lik 50%, viser det seg at D = 0.5.

Dermed kan D variere fra 0 til 1. Med en verdi på D = 1 er nøkkeltransistoren i en tilstand av full ledningsevne, og ved D = 0 i en avstengt tilstand, ganske enkelt, er den lukket. Det er lett å gjette at utgangsspenningen ved D = 50% vil være lik halve inngangen.

Det er ganske åpenbart at reguleringen av utgangsspenningen skjer på grunn av en endring i bredden på kontrollpulsen t og faktisk en endring i koeffisienten D. pulsbredde modulert PWM (PWM). I nesten alle vekslende strømforsyninger er det nettopp ved hjelp av PWM at utgangsspenningen er stabilisert.

I diagrammer vist i figur 2 og 6 er PWM "skjult" i rektanglene med påskriften "Kontrollkrets", som utfører noen tilleggsfunksjoner. For eksempel kan det være en jevn start på utgangsspenningen, fjerntilkobling eller beskyttelse av omformeren mot kortslutning.

Generelt ble omformere så mye brukt at selskaper som produserer elektroniske komponenter ordnet for PWM-kontrollere for alle anledninger. Utvalget er så stort at bare for å liste dem, trenger du en hel bok. Derfor hender det ikke noen å sette sammen omformere på diskrete elementer, eller som de ofte sier på "løst pulver".

Dessuten kan ferdige omformere med liten kapasitet kjøpes hos Aliexpress eller Ebay for en liten pris. Samtidig, for installasjon i en amatørmessig utforming, er det nok å lodde inngangs- og utgangstrådene til brettet, og stille inn den nødvendige utgangsspenningen.

Men tilbake til figuren 3. I dette tilfellet bestemmer koeffisienten D hvor mye tid som vil være åpen (fase 1) eller lukket (fase 2) nøkkeltransistor. For disse to fasene kan du forestille deg diagrammet i to figurer. Tallene viser IKKE de elementene som ikke er brukt i denne fasen.

Fig. 4 Fase 1

Når transistoren er åpen, passerer strømmen fra strømkilden (galvanisk celle, batteri, likeretter) gjennom en induktiv choke L, en belastning RN og en ladekondensator Cout. Samtidig strømmer en strøm gjennom belastningen, kondensatoren Cout og induktoren L akkumulerer energi. Den nåværende iL øker gradvis, effekten av induktansen til induktoren påvirker. Denne fasen kalles pumping.

Etter at spenningen ved lasten har nådd den innstilte verdien (bestemt av innstillingene for kontrollenheten), lukkes transistoren VT og enheten flytter til den andre fasen - utladningsfasen. Den lukkede transistoren i figuren vises ikke i det hele tatt, som om den ikke eksisterte. Men dette betyr bare at transistoren er lukket.

Fig. 5 Fase 2

Når transistoren VT er lukket, er det ingen påfyll av energi i induktoren, siden strømkilden er koblet fra. Induktans L har en tendens til å forhindre en endring i størrelsen og retningen på strømmen (selvinduksjon) som strømmer gjennom induktorviklingen.

Derfor kan ikke strømmen stoppe øyeblikkelig og lukkes gjennom diodelastkretsen. På grunn av dette kalles VD-dioden bit. Som regel er dette en høyhastighets Schottky-diode. Etter kontrollperioden av fase 2, går kretsen over til fase 1, prosessen blir gjentatt igjen. Maksimal spenning ved utgangen fra den aktuelle kretsen kan være lik inngangen, og ikke mer. For å oppnå en utgangsspenning som er større enn inngangsspenningen, brukes boost-omformere.

Det skal bemerkes at faktisk ikke alt er så enkelt som skrevet over: det antas at alle komponenter er perfekte, d.v.s. å slå av og på skjer uten forsinkelse, og den aktive motstanden er null. Ved den praktiske fremstillingen av slike ordninger må mange nyanser tas med i betraktningen, siden mye avhenger av kvaliteten på komponentene som er brukt og den parasittiske kapasitansen til installasjonen. Bare om en så enkel detalj som en gasspjeld (vel, bare en trådspole!), Kan du skrive mer enn en artikkel.

Foreløpig er det bare nødvendig å huske verdien av induktansen, som bestemmer to driftsmåter for huggeren. Med utilstrekkelig induktans vil omformeren fungere i diskontinuerlig strømmodus, noe som er helt uakseptabelt for strømkilder.

Hvis induktansen er stor nok, foregår arbeidet i kontinuerlig strømmodus, som gjør det mulig å bruke utgangsfiltrene for å oppnå en konstant spenning med et akseptabelt krusningsnivå. I kontinuerlig strømmodus fungerer også step-up-omformere, som vil bli beskrevet nedenfor.

For en viss økning i effektivitet blir VD-utladningsdioden erstattet av en MOSFET-transistor, som åpnes til rett tid av kontrollkretsen. Slike omformere kalles synkrone. Bruken deres er berettiget hvis omformerens kraft er stor nok.

Step-up eller boost boost-omformere

Boost-omformere brukes hovedsakelig til lavspent strømforsyning, for eksempel fra to til tre batterier, og noen komponenter krever 12 ... 15 V med lavt strømforbruk. Ganske ofte blir boost-omformeren kort og tydelig kalt ordet “booster”.

Fig. 6 Funksjonelt diagram over boost converter

Inngangsspenningen Uin påføres inngangsfilteret Cin og påføres seriekoblet spole L og svitsjetransistor VT. En diode VD er koblet til tilkoblingspunktet for spolen og avløpet til transistoren. En last RN og en shuntkondensator Cout er koblet til den andre terminalen på dioden.

Transistoren VT styres av en kontrollkrets som genererer et stabilt frekvensstyresignal med en justerbar driftssyklus D, på samme måte som beskrevet ovenfor i beskrivelsen av hakkerkretsen (fig. 3). VD-dioden til rett tid blokkerer belastningen fra nøkkeltransistoren.

Når nøkkeltransistoren er åpen, kobles spolens L høyre side til den negative polen til strømforsyningen Uin. Stigende strøm (effekten av induktans påvirker) fra strømkilden strømmer gjennom spolen og en åpen transistor, energi akkumuleres i spolen.

På dette tidspunktet blokkerer VD-dioden lasten og utgangskondensatoren fra nøkkelkretsen, og forhindrer derved tømmingen av utgangskondensatoren gjennom en åpen transistor. Lasten i dette øyeblikket drives av energien som er lagret i kondensatoren Cout. Naturligvis synker spenningen over utgangskondensatoren.

Så snart utgangsspenningen blir litt lavere enn den innstilte verdien (bestemt av kontrollkretsinnstillingene), lukkes nøkkeltransistoren VT, og energien som er lagret i induktoren lader kondensatoren Cout gjennom dioden VD, som mater belastningen. I dette tilfellet blir selvinduksjon EMF til spolen L lagt til inngangsspenningen og overført til belastningen, derfor er utgangsspenningen større enn inngangsspenningen.

Når utgangsspenningen når det innstilte stabiliseringsnivået, åpner kontrollkretsen transistoren VT, og prosessen gjentas fra energilagringsfasen.

Universalomformere - SEPIC (en-endet primærinduktoromformer eller -omformer med asymmetrisk belastet primærinduktans).

Slike omformere brukes hovedsakelig når belastningen har liten effekt, og inngangsspenningen endres i forhold til utgangen i større eller mindre grad.

Fig. 7 Funksjonsdiagram over SEPIC-omformeren

Den er veldig lik boostkonverterkretsen vist i figur 6, men har tilleggselementer: kondensator C1 og spole L2. Det er disse elementene som sikrer driften av omformeren i modus for undervoltasje.

SEPIC-omformere brukes i tilfeller der inngangsspenningen varierer mye. Et eksempel er 4V-35V til 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter Regulator. Det er under dette navnet at en omformer selges i kinesiske butikker, hvis krets er vist i figur 8 (klikk på bildet for å forstørre).

Fig. 8 Skjematisk diagram over SEPIC-omformeren

Figur 9 viser utseendet til brettet med betegnelsen på hovedelementene.

Fig. 9 Utseende av SEPIC-omformeren

Figuren viser hoveddelene i samsvar med figur 7. Vær oppmerksom på tilstedeværelsen av to spoler L1 L2. Basert på denne funksjonen kan det bestemmes at dette nettopp er SEPIC-omformeren.

Inngangsspenningen til brettet kan være i området 4 ... 35V. I dette tilfellet kan utgangsspenningen justeres innen 1,23 ... 32V. Driftsfrekvensen til omformeren er 500 kHz. Med en liten størrelse på 50 x 25 x 12 mm gir brettet kraft opp til 25 watt. Maksimal utgangsstrøm opp til 3A.

Men her bør en komme med en merknad. Hvis utgangsspenningen er satt til 10V, kan ikke utgangsstrømmen være høyere enn 2,5A (25W). Med en utgangsspenning på 5V og en maksimal strøm på 3A, vil effekten bare være 15W. Det viktigste her er ikke å overdrive: Enten må du ikke overskride den maksimalt tillatte kraften, eller ikke overskride den tillatte strømmen.

Se også: Bytte strømforsyninger - driftsprinsipp

Boris Aladyshkin