Convertidors DC-DC

Per alimentar diversos equips electrònics, s’utilitzen molt els convertidors de corrent continu i continu. S’utilitzen en dispositius informàtics, dispositius de comunicació, diversos circuits de control i automatització, etc.

Alimentacions del transformador

En les fonts d’alimentació del transformador tradicional, la tensió de la xarxa és convertida per un transformador, sovint abaixat, al valor desitjat. Menys tensió rectificat per un pont de díodes i suavitzat per un filtre condensador. Si cal, es col·loca un estabilitzador de semiconductor després del rectificador.

Les fonts d'alimentació del transformador solen estar equipades amb estabilitzadors lineals. Hi ha almenys dos avantatges d’aquests estabilitzadors: és un cost reduït i un nombre reduït de peces a l’arnès. Però aquests avantatges es consumeixen per una baixa eficiència, ja que una part important del voltatge d’entrada s’utilitza per escalfar el transistor de control, cosa totalment inacceptable per alimentar dispositius electrònics portàtils.

Convertidors DC / DC

Si l’equip està alimentat per cèl·lules galvaniques o bateries, la conversió de tensió al nivell desitjat només és possible amb l’ajut dels convertidors de CC / CC.

La idea és bastant simple: una tensió constant es converteix en tensió alterna, per regla general, amb una freqüència de diverses desenes o fins i tot centenars de quilohertz, puja (disminueix), i després es rectifica i s’alimenta a la càrrega. Aquests convertidors sovint es diuen pols.

Un exemple és el convertidor d’increment de 1.5V a 5V, només el voltatge de sortida d’un ordinador USB. Un convertidor d'energia similar es ven a Aliexpress.

Fig. 1. Convertidor 1.5V / 5V

Els convertidors de pols són bons, ja que tenen una alta eficiència dins del 60..90%. Un altre avantatge dels convertidors d’impuls és una àmplia gamma de tensions d’entrada: el voltatge d’entrada pot ser inferior al voltatge de sortida o molt més alt. En general, els convertidors DC / DC es poden dividir en diversos grups.

Classificació dels convertidors

Disminució o reducció

La tensió de sortida d’aquests convertidors, per regla general, és inferior a l’entrada: sense pèrdues especials per escalfar el transistor de control, només podeu obtenir una tensió d’uns pocs volts amb una tensió d’entrada de 12 ... 50V. El corrent de sortida d’aquests convertidors depèn de la demanda de la càrrega, que al seu torn determina el circuit del convertidor.

Un altre nom en anglès per al convertidor de chopper buck. Una de les opcions per traduir aquesta paraula és un interruptor. A la literatura tècnica, el convertidor de trucs de vegades s'anomena "chopper". Ara per ara, només cal recordar aquest terme.

Augmentar o impulsar la terminologia anglesa

La tensió de sortida d’aquests convertidors és superior a l’entrada. Per exemple, amb una tensió d’entrada de 5V, es pot obtenir una sortida de fins a 30V; a més, es pot regular i estabilitzar contínuament. Els convertidors de dinamització sovint s’anomenen impulsors.

Convertidors universals: SEPIC

La tensió de sortida d’aquests convertidors es manté a un nivell predeterminat amb una tensió d’entrada tant superior a l’entrada com inferior. Es recomana en casos en què la tensió d’entrada pot variar significativament. Per exemple, en un cotxe, el voltatge de la bateria pot variar entre 9 ... 14V, i cal obtenir un voltatge estable de 12V.

Invertir convertidors: invertir convertidor

La funció principal d’aquests convertidors és obtenir el voltatge de sortida de polaritat inversa respecte a la font d’energia. Molt convenient en casos en què es necessita nutrició bipolar, per exemple per alimentar l'op-amperi.

Tots aquests convertidors es poden estabilitzar o desestabilitzar, la tensió de sortida es pot connectar galvànicament a l’entrada o tenir un aïllament galvànic de tensions. Tot depèn del dispositiu específic en què s’utilitzarà el convertidor.

Per tal de procedir a la discussió més gran dels convertidors de corrent continu o alternatiu, almenys caldria tractar la teoria.

Chopper down converter - tipus de buck converter

El seu diagrama funcional es mostra a la figura següent. Les fletxes dels fils indiquen la direcció dels corrents.

Fig. 2. Diagrama funcional de l'estabilitzador de la picadora

La tensió d'entrada Uin s'aplica al filtre d'entrada - condensador Cin. El transistor VT s’utilitza com a element clau, realitza commutació de corrent d’alta freqüència. Podria ser Transistor d’estructura MOSFET, IGBT tampoc transistor bipolar convencional. A més d'aquestes parts, el circuit conté un díode de descàrrega VD i un filtre de sortida - LCout, des del qual la tensió entra a la càrrega Rн.

És fàcil veure que la càrrega està connectada en sèrie amb els elements VT i L. Per tant, el circuit és consistent. Com es produeix la sub tensió?

Modulació d'amplada del pols - PWM

El circuit de control genera polsos rectangulars amb una freqüència o un període constant, que és essencialment el mateix. Aquests polsos es mostren a la figura 3.

Fig. 3. Control de polsos

Aquí és el temps de pols, el transistor està obert, tp és el temps de pausa i el transistor està tancat. La relació ti / T s'anomena cicle de treball de cicle de treball, denotat per la lletra D i s'expressa en %% o simplement en nombres. Per exemple, amb D igual al 50%, resulta que D = 0,5.

Així, D pot variar de 0 a 1. Amb un valor de D = 1, el transistor clau està en estat de plena conductivitat i a D = 0 en estat de tall, simplement parlant, es tanca. És fàcil d’endevinar que a D = 50% la tensió de sortida serà igual a la meitat de l’entrada.

És força obvi que la regulació de la tensió de sortida es produeix a causa d’un canvi en l’amplada del pols de control t i, de fet, a un canvi en el coeficient D. Aquest principi de regulació s’anomena amplada de pols modulada PWM (PWM) En gairebé totes les fonts d’alimentació de commutació, precisament amb l’ajuda de PWM s’estabilitza la tensió de sortida.

En els esquemes que es mostren a les figures 2 i 6, la PWM està "oculta" als rectangles amb la inscripció "Circuit de control", que fa algunes funcions addicionals. Per exemple, pot ser un bon començament del voltatge de sortida, l’encesa remota o la protecció del convertidor contra curtcircuit.

En general, els convertidors eren tan àmpliament utilitzats que les empreses productores de components electrònics disposaven per a controladors PWM per a totes les ocasions. L’abast és tan gran que només per llistar-los necessitaràs un llibre sencer. Per tant, a ningú no se li acudeix muntar convertidors en elements discrets o, com solen dir-ho, en "pols solts".

A més, es poden comprar convertidors a punt de petita capacitat a Aliexpress o Ebay per un preu reduït. Al mateix temps, per a la instal·lació en un disseny aficionat, n'hi ha prou amb soldar els cables d'entrada i sortida a la placa i establir el voltatge de sortida necessari.

Però tornem a la nostra figura 3. En aquest cas, el coeficient D determina quant de temps estarà obert (fase 1) o tancat (fase 2) transistor de claus. Per a aquestes dues fases, podeu imaginar el diagrama en dues figures. Les figures NO mostren aquells elements que no s'utilitzen en aquesta fase.

Fig.4. Fase 1

Quan el transistor està obert, el corrent de la font d’alimentació (cèl·lula galvànica, bateria, rectificador) passa per una sufoca inductiva L, una càrrega Rн i un condensador de càrrega Cout. Al mateix temps, un corrent flueix a través de la càrrega, el condensador Cout i l’inductor L acumulen energia. L'iL actual augmenta gradualment, l'efecte de la inductància de l'inductor afecta. Aquesta fase s’anomena bombament.

Després que el voltatge de la càrrega arribi al valor ajustat (determinat per la configuració del dispositiu de control), el transistor VT es tanca i el dispositiu passa a la segona fase: la fase de descàrrega. El transistor tancat de la figura no es mostra en absolut, com si no existís. Però això només significa que el transistor està tancat.

Fig. 5 Fase 2

Quan el transistor VT es tanca, no hi ha cap reposició d’energia a l’inductor, ja que la font d’energia està desconnectada. La inductància L tendeix a evitar que canviï la magnitud i la direcció del corrent (autoinducció) que flueix a través del bobinatge de l’inductor.

Per tant, el corrent no es pot aturar instantàniament i es tanca a través del circuit de càrrega del díode. Per això, el díode VD es diu bit. Per regla general, es tracta d'un díode Schottky d'alta velocitat. Després del període de control de la fase 2, el circuit passa a la fase 1, el procés es torna a repetir. La tensió màxima a la sortida del circuit considerat pot ser igual a l’entrada, i no més. Per obtenir un voltatge de sortida superior al voltatge d’entrada, s’utilitzen convertidors d’impuls.

Cal destacar que, de fet, no tot és tan senzill com s’escriu anteriorment: se suposa que tots els components són perfectes, és a dir. l'encesa i la desactivació es produeixen sense demora i la resistència activa és zero. En la fabricació pràctica d’aquests esquemes s’han de tenir en compte molts matisos, ja que depèn molt de la qualitat dels components emprats i de la capacitació paràsita de la instal·lació. Només sobre un detall tan senzill com l’accelerador (bé, només una bobina de filferro!), Podeu escriure més d’un article.

Ara per ara, només cal recordar el propi valor d’inductància, que determina dos modes de funcionament del chopper. Amb una inductància insuficient, el convertidor funcionarà en mode de corrent discontinu, cosa totalment inacceptable per a les fonts d’energia.

Si la inductància és prou gran, el treball es realitza en mode de corrent continu, que permet utilitzar els filtres de sortida per obtenir una tensió constant amb un nivell acceptable d’ondulació. En el mode de corrent continu també funcionen els convertidors de pas que es descriuen a continuació.

Per augmentar l'eficiència, el díode de descàrrega VD es substitueix per un transistor MOSFET, que s'obre en el moment adequat pel circuit de control. Aquests convertidors s'anomenen sincrònics. El seu ús es justifica si la potència del convertidor és prou gran.

Convertidors d'increment o impuls

Els convertidors d’alimentació s’utilitzen principalment per a l’alimentació de baixa tensió, per exemple, de dues a tres bateries, i alguns components requereixen 12 ... 15 V amb un consum de corrent baix. Molt sovint, el convertidor d’impulsió s’anomena breument i clarament la paraula “reforç”.

Fig. 6. Diagrama funcional del convertidor de potenciació

El voltatge d’entrada Uin s’aplica al filtre d’entrada Cin i s’aplica al connectat en sèrie inductor L i transistor de commutació VT. Un díode VD està connectat al punt de connexió de la bobina i el desguàs del transistor. Una altra càrrega Rн i un condensador de shunt Cout estan connectats a l'altre terminal del díode.

El transistor VT està controlat per un circuit de control que genera un senyal de control de freqüència estable amb un cicle de treball regulable D, de la mateixa manera que es descriu anteriorment a la descripció del circuit de la picadora (Fig. 3). El díode VD en el moment adequat bloqueja la càrrega del transistor clau.

Quan el transistor de clau està obert, la sortida del costat dret de la bobina L està connectada al pol negatiu de la font d’alimentació Uin. El corrent creixent (l'efecte de la inductància afecta) de la font d'energia flueix a través de la bobina i un transistor obert, s'acumula energia a la bobina.

En aquest moment, el díode VD bloqueja la condensació i el condensador de sortida del circuit clau, impedint així la descàrrega del condensador de sortida a través d’un transistor obert. La càrrega en aquest moment s’alimenta amb l’energia emmagatzemada en el condensador Cout. Naturalment, la tensió a través del condensador de sortida baixa.

Tan aviat com la tensió de sortida esdevé lleugerament inferior al valor establert (determinat per la configuració del circuit de control), el transistor clau VT es tanca i l’energia emmagatzemada a l’inductor recarrega el condensador Cout mitjançant el díode VD, que alimenta la càrrega. En aquest cas, l’EMF d’autoinducció de la bobina L s’afegeix a la tensió d’entrada i es transfereix a la càrrega, per tant, la tensió de sortida és superior a la tensió d’entrada.

Quan la tensió de sortida arriba al nivell d’estabilització establert, el circuit de control obre el transistor VT i es repeteix el procés des de la fase d’emmagatzematge d’energia.

Convertidors universals: SEPIC (convertidor d’inductor primari d’un sol extrem o convertidor amb inductància primària carregada asimètricament).

Aquests convertidors s'utilitzen principalment quan la càrrega té poca potència i el voltatge d'entrada canvia en relació a la sortida en major o menor mesura.

Fig. 7 Diagrama funcional del convertidor SEPIC

És molt similar al circuit del convertidor d’impuls mostrat a la figura 6, però té elements addicionals: condensador C1 i bobina L2. Aquests elements asseguren el funcionament del convertidor en mode de reducció de tensió.

Els convertidors SEPIC s'utilitzen en els casos en què la tensió d'entrada varia àmpliament. Un exemple és el regulador del convertidor de pas de tensió de descens de Buck Buck de 4V-35V a 1.23V-32V. Sota aquest nom es ven un convertidor a les botigues xineses, el circuit del qual es mostra a la figura 8 (feu clic a la imatge per ampliar-la).

Fig. 8 Diagrama esquemàtic del convertidor SEPIC

La figura 9 mostra l’aspecte del tauler amb la designació dels elements principals.

Fig. 9. Aparició del SEPIC Converter

La figura mostra les parts principals d’acord amb la figura 7. Cal fixar-se en la presència de dues bobines L1 L2. A partir d’aquesta característica, es pot determinar que aquest sigui precisament el convertidor SEPIC.

La tensió d’entrada de la placa pot estar en l’interval de 4 ... 35V. En aquest cas, la tensió de sortida es pot ajustar entre 1,23 ... 32V. La freqüència de funcionament del convertidor és de 500 KHz. Amb una mida petita de 50 x 25 x 12 mm, la placa proporciona una potència de fins a 25 watts. Corrent de sortida màxim fins a 3A.

Però aquí s’hauria de fer una observació. Si la tensió de sortida està en 10V, el corrent de sortida no pot ser superior a 2,5A (25W). Amb una tensió de sortida de 5V i un corrent màxim de 3A, la potència serà de només 15W. El principal és no excedir-lo: o no sobrepassar la màxima potència admissible, o no superar el corrent admissible.

Vegeu també Fonts d’energia de commutació: principi de funcionament

Boris Aladyshkin