DC-DC Dönüştürücüler

Çeşitli elektronik ekipmanlara güç sağlamak için DC / DC dönüştürücüler çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Bilgi işlem cihazlarında, iletişim cihazlarında, çeşitli kontrol ve otomasyon devrelerinde vb.

Trafo güç kaynakları

Geleneksel trafo güç kaynaklarında, şebeke voltajı, çoğunlukla düşürülmüş bir transformatör kullanılarak istenen değere dönüştürülür. azaltılmış gerilim bir diyot köprüsü ile düzeltildi ve bir kapasitör filtresi ile düzeltilir. Gerekirse, doğrultucudan sonra bir yarı iletken stabilizatörü yerleştirilir.

Transformatör güç kaynakları genellikle doğrusal stabilizatörlerle donatılmıştır. Bu stabilizatörlerin en az iki avantajı vardır: bu, kablo demetinde az bir maliyet ve az sayıda parçadır. Ancak bu avantajlar düşük verimlilikle tüketilir, çünkü giriş voltajının önemli bir kısmı, taşınabilir elektronik cihazlara güç sağlamak için tamamen kabul edilemez olan kontrol transistörünü ısıtmak için kullanılır.

DC / DC Dönüştürücüler

Ekipman galvanik hücreler veya pillerle çalışıyorsa, istenen seviyeye voltaj dönüşümü sadece DC / DC dönüştürücüler yardımıyla mümkündür.

Fikir oldukça basittir: sabit bir voltaj, kural olarak, birkaç on veya hatta yüzlerce kilohertz frekansı ile alternatif voltaja dönüştürülür, yükselir (azalır) ve daha sonra düzeltilir ve yüke beslenir. Bu tür dönüştürücüler genellikle nabız olarak adlandırılır.

Buna bir örnek, 1.5V'dan 5V'a yükseltme dönüştürücü, sadece bir bilgisayarın USB çıkış voltajıdır. Benzer bir güç dönüştürücü Aliexpress'de satılıyor.

Şek. 1. 1.5V / 5V dönüştürücü

Darbe dönüştürücüler% 60..90 dahilinde yüksek verimliliğe sahip olmaları açısından iyidir. Darbe dönüştürücülerin bir başka avantajı geniş bir giriş voltajı aralığıdır: giriş voltajı çıkış voltajından daha düşük veya çok daha yüksek olabilir. Genel olarak, DC / DC dönüştürücüler birkaç gruba ayrılabilir.

Konvertörlerin sınıflandırılması

Yavaşlama veya kova

Bu dönüştürücülerin çıkış voltajı, kural olarak, girişten daha düşüktür: kontrol transistörünü ısıtmak için özel kayıplar olmadan, 12 ... 50V giriş voltajında ​​sadece birkaç voltluk bir voltaj elde edebilirsiniz. Bu tür dönüştürücülerin çıkış akımı, yükün talebine bağlıdır, bu da dönüştürücünün devresini belirler.

Kıyıcı kova dönüştürücü için başka bir İngilizce adı. Bu kelimeyi çevirmek için seçeneklerden biri bir kırıcıdır. Teknik literatürde, kova dönüştürücüsüne bazen “kıyıcı” denir. Şimdilik, sadece bu terimi hatırlayın.

İngilizce terminolojisinde artış veya artış

Bu dönüştürücülerin çıkış voltajı girişten daha yüksektir. Örneğin, 5V'luk bir giriş voltajı ile 30V'a kadar bir çıkış elde edilebilir ve düzgün düzenlenmesi ve stabilizasyonu mümkündür. Boost dönüştürücüler genellikle güçlendiriciler olarak adlandırılır.

Üniversal Dönüştürücüler - SEPIC

Bu dönüştürücülerin çıkış voltajı, hem girişten daha yüksek hem de daha düşük bir giriş voltajı ile önceden belirlenmiş bir seviyede tutulur. Giriş voltajının önemli ölçüde değişebileceği durumlarda önerilir. Örneğin, bir arabada akü voltajı 9 ... 14V arasında değişebilir ve kararlı bir 12V voltajı almanız gerekir.

Ters çeviriciler - ters çevirici

Bu dönüştürücülerin ana işlevi, güç kaynağına göre ters polaritenin çıkış voltajını elde etmektir. Bipolar beslenmenin gerekli olduğu durumlarda çok uygun, örneğin op-amp'e güç vermek.

Bu dönüştürücülerin tümü stabilize edilebilir veya stabilize edilemez, çıkış gerilimi girişe galvanik olarak bağlanabilir veya gerilimlerin galvanik izolasyonuna sahip olabilir. Her şey dönüştürücünün kullanılacağı cihaza bağlıdır.

DC / DC dönüştürücülerin daha ayrıntılı tartışmasına devam etmek için en azından teori ile ilgilenilmelidir.

Kıyıcı aşağı dönüştürücü - kova tipi dönüştürücü

Fonksiyonel diyagramı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Teller üzerindeki oklar akımların yönünü gösterir.

Şekil 2. Kıyıcı stabilizatörünün fonksiyonel diyagramı

Giriş voltajı Uin, giriş filtresine - kapasitör Cin'e uygulanır. VT transistörü anahtar bir eleman olarak kullanılır; yüksek frekanslı akım anahtarlaması yapar. Olabilir MOSFET yapı transistörü, IGBT veya geleneksel bipolar transistör. Bu detaylara ek olarak, devre bir gerilim diyotu VD ve voltajın Rн yüküne girdiği bir çıkış filtresi - LCout içerir.

Yükün VT ve L elemanları ile seri bağlandığını görmek kolaydır. Bu nedenle devre tutarlıdır. Düşük voltaj nasıl oluşur?

Darbe Genişlik Modülasyonu - PWM

Kontrol devresi, temelde aynı şey olan sabit bir frekans veya sabit periyotlu dikdörtgen darbeler üretir. Bu darbeler Şekil 3'te gösterilmektedir.

Şekil 3. Kontrol darbeleri

Burada t darbe zamanı, transistör açık, tp duraklama zamanı ve transistör kapalı. Ti / T oranına, D harfi ile gösterilen görev döngüsü görev döngüsü denir ve %% veya yalnızca rakamlarla ifade edilir. Örneğin, D% 50'ye eşit olduğunda, D = 0.5 olduğu ortaya çıkıyor.

Böylece, D 0 ila 1 arasında değişebilir. D = 1 değerinde, anahtar transistör tam iletkenlik durumundadır ve D = 0'da bir kesme durumunda, basitçe, kapalıdır. D =% 50'de çıkış voltajının girişin yarısına eşit olacağını tahmin etmek kolaydır.

Çıkış voltajının regülasyonunun, kontrol darbesinin t genişliğinde bir değişiklik ve aslında D katsayısındaki bir değişiklik nedeniyle gerçekleştiği oldukça açıktır. Bu düzenleme prensibi denir darbe genişlik modülasyonlu PWM (PWM). Hemen hemen tüm anahtarlama güç kaynaklarında, PWM'nin yardımıyla çıkış voltajı stabilize edilir.

Şekil 2 ve 6'da gösterilen diyagramlarda PWM, bazı ek işlevleri yerine getiren “Kontrol devresi” yazısıyla dikdörtgenlerde “gizlenmiştir”. Örneğin, çıkış voltajının düzgün bir şekilde başlatılması, uzaktan açılması veya dönüştürücünün kısa devreye karşı korunması olabilir.

Genel olarak, dönüştürücüler o kadar yaygın olarak kullanıldı ki, tüm durumlar için PWM kontrolörleri için düzenlenmiş elektronik bileşenler üreten şirketler. Aralık o kadar geniştir ki, onları listelemek için bir kitabın tamamına ihtiyacınız olacaktır. Bu nedenle, dönüştürücülerin ayrık elemanlar üzerine monte edilmesi veya sık sık "gevşek toz" üzerinde söyledikleri gibi kimse meydana gelmez.

Ayrıca, küçük kapasiteli hazır dönüştürücüler, küçük bir fiyat için Aliexpress veya Ebay'den satın alınabilir. Aynı zamanda, amatör bir tasarımda kurulum için, giriş ve çıkış kablolarını panoya lehimlemek ve gerekli çıkış voltajını ayarlamak yeterlidir.

Fakat şekil 3'e dönelim. Bu durumda, D katsayısı ne kadar zamanın açık (faz 1) veya kapalı (faz 2) olacağını belirler. anahtar transistör. Bu iki aşama için, diyagramı iki şekilde hayal edebilirsiniz. Rakamlar bu aşamada kullanılmayan elemanları GÖSTERMEMEKTEDİR.

Şekil 4. Aşama 1

Transistör açık olduğunda, güç kaynağından gelen akım (galvanik hücre, batarya, doğrultucu) bir endüktif bobin L, bir yük Rн ve bir şarj kondansatörü Cout'tan geçer. Aynı zamanda yükten bir akım akar, Cout kondansatörü ve indüktör L enerji biriktirir. Mevcut iL yavaş yavaş artar, indüktörün endüktansının etkisi etkilenir. Bu aşamaya pompalama denir.

Yük üzerindeki voltaj ayarlanan değere ulaştıktan sonra (kontrol cihazı ayarlarıyla belirlenir), transistör VT kapanır ve cihaz ikinci aşamaya geçer - deşarj fazı. Şekildeki kapalı transistör sanki yokmuş gibi gösterilmiyor. Ancak bu sadece transistörün kapalı olduğu anlamına gelir.

Şekil 5. Aşama 2

Transistör VT kapatıldığında, güç kaynağının bağlantısı kesildiği için indüktörde enerji ikmali olmaz. Endüktans L, indüktör sargısından akan akımın (kendiliğinden indüksiyon) büyüklüğünde ve yönündeki bir değişikliği önleme eğilimindedir.

Bu nedenle, akım anında duramaz ve diyot yükü devresinden kapanır. Bu nedenle, VD diyotuna bit denir. Kural olarak, bu yüksek hızlı bir Schottky diyotudur. Faz 2 kontrol süresinden sonra devre faz 1'e geçer, işlem tekrarlanır. Dikkate alınan devrenin çıkışındaki maksimum voltaj, girişe eşit olabilir ve daha fazla olamaz. Giriş voltajından daha büyük bir çıkış voltajı elde etmek için takviye dönüştürücüler kullanılır.

Aslında, her şeyin yukarıda yazıldığı kadar basit olmadığı belirtilmelidir: tüm bileşenlerin mükemmel olduğu varsayılmaktadır, yani. açma ve kapatma gecikmeden gerçekleşir ve aktif direnç sıfırdır. Bu tür şemaların pratik imalatında, birçok nüans dikkate alınmalıdır, çünkü çoğu kullanılan bileşenlerin kalitesine ve kurulumun parazitik kapasitansına bağlıdır. Sadece bir gaz kelebeği (basit, sadece bir bobin!) Gibi basit bir ayrıntı hakkında, birden fazla makale yazabilirsiniz.

Şimdilik, sadece helikopterin iki çalışma modunu belirleyen endüktans değerini hatırlamak gerekir. Yetersiz endüktans ile dönüştürücü, güç kaynakları için tamamen kabul edilemez olan kesintili akım modunda çalışacaktır.

Endüktans yeterince büyükse, iş sürekli akım modunda gerçekleşir, bu da çıkış filtrelerinin kabul edilebilir bir dalgalanma seviyesine sahip sabit bir voltaj elde etmek için kullanılmasına izin verir. Sürekli akım modunda, aşağıda açıklanacak olan yükseltici dönüştürücüler de çalışır.

Verimlilikte bir miktar artış için VD deşarj diyotunun yerini, kontrol devresi tarafından doğru zamanda açılan bir MOSFET transistörü alır. Bu tür dönüştürücüler senkron olarak adlandırılır. Dönüştürücünün gücü yeterince büyükse, kullanımları haklıdır.

Yükseltme veya artırma takviye dönüştürücüler

Takviye dönüştürücüler genellikle düşük voltajlı güç kaynağı için kullanılır, örneğin iki ila üç pil ve bazı bileşenler düşük akım tüketimi ile 12 ... 15 V gerektirir. Çoğu zaman, destek dönüştürücü kısaca ve açıkça "güçlendirici" olarak adlandırılır.

Şekil 6. Boost dönüştürücünün fonksiyonel şeması

Giriş voltajı Uin, giriş filtresine Cin uygulanır ve seri bağlantıya uygulanır indüktör L ve anahtarlama transistörü VT. Bir diyot VD, bobinin bağlantı noktasına ve transistörün tahliyesine bağlanır. Diyotun diğer terminaline bir yük Rн ve bir şönt kapasitör Cout bağlanır.

Transistör VT, yukarıda helikopter devresinin açıklamasında tarif edildiği gibi, ayarlanabilir bir görev döngüsü D ile kararlı bir frekans kontrol sinyali üreten bir kontrol devresi tarafından kontrol edilir (Şekil 3). VD diyotu doğru zamanda anahtar transistörden gelen yükü engeller.

Anahtar transistörü açık olduğunda, bobin L'nin sağ taraftaki çıkışı, güç kaynağının Uin negatif kutbuna bağlanır. Güç kaynağından yükselen akım (endüktans etkisi etkiler) bobin ve açık bir transistörden akar, bobin içinde enerji birikir.

Bu sırada, VD diyot yükü ve çıkış kapasitörünü anahtar devresinden bloke eder, böylece çıkış kapasitörünün açık bir transistörden deşarjını önler. Bu andaki yük, kapasitör Cout'ta depolanan enerji ile beslenir. Doğal olarak, çıkış kapasitörü üzerindeki voltaj düşer.

Çıkış gerilimi ayarlanan değerden (kontrol devresi ayarlarıyla belirlenir) biraz daha düşük olur olmaz, anahtar transistör VT kapanır ve indüktörde depolanan enerji, kapasitörü Cout'u yükü besleyen VD diyotu üzerinden yeniden şarj eder. Bu durumda, bobin L'nin kendinden indüksiyonlu EMF'si giriş voltajına eklenir ve yüke aktarılır, bu nedenle çıkış voltajı giriş voltajından daha büyüktür.

Çıkış voltajı ayarlanan stabilizasyon seviyesine ulaştığında, kontrol devresi transistör VT'yi açar ve işlem enerji depolama fazından tekrarlanır.

Evrensel dönüştürücüler - SEPIC (tek uçlu birincil endüktör dönüştürücü veya asimetrik yüklü birincil endüktanslı dönüştürücü).

Bu tür dönüştürücüler esas olarak yük düşük güce sahip olduğunda ve giriş voltajı çıkışa göre daha büyük veya daha az ölçüde değiştiğinde kullanılır.

Şekil 7. SEPIC dönüştürücünün fonksiyonel diyagramı

Şekil 6'da gösterilen takviye dönüştürücü devresine çok benzer, ancak ek elemanlara sahiptir: C1 kapasitörü ve bobin L2. Dönüştürücünün düşük voltaj modunda çalışmasını sağlayan bu unsurlardır.

SEPIC dönüştürücüler, giriş voltajının büyük ölçüde değiştiği durumlarda kullanılır. Bir örnek, 4V-35V ila 1.23V-32V Boost Buck Voltaj Adım Yukarı / Aşağı Dönüştürücü Regülatörüdür. Bu isim altında, devresi Şekil 8'de gösterilen Çin mağazalarında satılmaktadır (büyütmek için resmin üzerine tıklayınız).

Şekil 8. SEPIC dönüştürücünün şematik diyagramı

Şekil 9, ana elemanların tanımlanmasıyla tahtanın görünümünü göstermektedir.

Şekil 9. SEPIC Dönüştürücünün Görünümü

Şekil, Şekil 7'ye göre ana parçaları göstermektedir. İki bobin L1 L2'nin varlığına dikkat etmelisiniz. Bu özelliğe dayanarak, bunun tam olarak SEPIC dönüştürücü olduğu belirlenebilir.

Kartın giriş voltajı 4 ... 35V aralığında olabilir. Bu durumda, çıkış voltajı 1.23 ... 32V içinde ayarlanabilir. Dönüştürücünün çalışma frekansı 500KHz, 50 x 25 x 12 mm boyutlarında küçük kart 25 watt'a kadar güç sağlıyor. 3A'ya kadar maksimum çıkış akımı.

Ancak burada bir açıklama yapılmalıdır. Çıkış voltajı 10V olarak ayarlanırsa, çıkış akımı 2,5A'dan (25W) yüksek olamaz. 5V çıkış voltajı ve maksimum 3A akım ile güç sadece 15W olacaktır. Buradaki ana şey aşırıya kaçmamaktır: ya izin verilen maksimum gücü aşmayın ya da izin verilen akımın ötesine geçmeyin.

Ayrıca bakınız: Anahtarlamalı güç kaynakları - çalışma prensibi

Boris Aladyshkin