Convertidors simples de tensió d’impulsos sense transformador

Molts pernils principiants tenen difícil determinar el tipus d’alimentació, però no és tan difícil. Els principals mètodes de conversió de tensió són utilitzar una de les dues opcions del circuit:

• Transformador;

• Alimentacions sense transformador

Al seu torn, els transformadors difereixen pel tipus de circuit:

• Alimentació, amb un transformador que funciona a una freqüència de 50 Hz;

• Pols, amb un transformador que funciona a altes freqüències (desenes de milers d’Hz).

Els circuits d’impulsos de les fonts d’alimentació poden augmentar l’eficiència general del producte final, evitant pèrdues estàtiques sobre estabilitzadors lineals i altres elements.

Circuits sense transformador

Si necessiteu una alimentació a partir d'una font d'alimentació a la llar de 220 V, els dispositius més senzills es poden encendre des de fonts d'alimentació amb elements de llast per reduir la tensió. Un exemple molt conegut de tal font d’energia és un circuit de condensadors de llast.

No obstant això, hi ha diversos controladors amb integrada Controlador PWM i una clau d’alimentació per crear un convertidor de pols sense pols transformador, aquests són molt comuns en Bombetes LED i altres tecnologies.

En cas d'alimentació procedent d'una font de corrent directa, per exemple, bateries o altres bateries galvàniques, utilitzeu:

• Estabilitzador de tensió lineal (un estabilitzador integral del tipus KREN o L78xx amb o sense transistor d’alimentació, un estabilitzador paramètric d’un díode zener i un transistor)

• Convertidor de pols (disminuir - BUCK, augmentar - BOOST o augmentar - BUCK-BOOST)

L’avantatge de les fonts d’alimentació i convertidors sense transformació és el següent:

• No és necessari que es transformi el transformador, la conversió es realitza mitjançant la teclat i les tecles;

• Una conseqüència de l’anterior són les petites dimensions de les fonts d’energia.

Inconvenients:

• L’absència d’aïllament galvànic, en cas de mal funcionament de les claus, comporta l’aparició de tensió de la font d’alimentació primària. Això és crític, especialment si el seu paper el juga una xarxa de 220 V;

• Perill de xoc elèctric com a resultat d'acoblament galvànic;

• Les grans dimensions de l’inductor en convertidors d’alta potència posen en dubte la viabilitat d’utilitzar aquesta topologia de les fonts d’alimentació. Amb indicadors de pes i mida comparables, podeu utilitzar un convertidor aïllat galvànicament.

Les principals varietats de convertidors de tensió de commutació

A la literatura nacional, sovint es troba l’abreviatura “IPPN”, que significa: Convertidor de tensió (disminució del pas o ambdues)

Com a base, es poden distingir tres esquemes bàsics.

1. IPPN1 - Convertidor reduït de la literatura anglesa: BUCK DC CONVERTER o Step-down.

2. IPPN2 - Convertidor Boost, en literatura anglesa: BOOST DC CONVERTER o Step-up.

3. IPPN3: convertidor d’inversió amb la possibilitat d’augmentar i disminuir la tensió, CONVERTER DE BUCK-BOOST DC.

Com funciona un convertidor de polsada de buck?

Comencem per considerar el principi de funcionament del primer esquema - IPPN1.

 

Al sistema, es poden distingir dos circuits de potència:

1. "+" de la font d'alimentació es subministra mitjançant una clau privada (transistor de qualsevol tipus de la conductivitat corresponent) a Lн (commutació d'emmagatzematge), i el corrent flueix a través de la càrrega fins a la font "-".

2. El segon circuit es forma a partir de díode Д, accelerador Lн i càrrega connectada Rн.

Quan es tanca la clau, el corrent passa pel circuit primari, el corrent flueix a través de l’inductor i s’acumula energia al seu camp magnètic. Quan apagem (obrim) la clau, l’energia emmagatzemada a la bobina es dissipa en la càrrega, mentre que el corrent flueix pel segon circuit.

La tensió a la sortida (càrrega) d’aquest convertidor és

Uout = Uin * Ku

Ku és el coeficient de conversió, que depèn del cicle de treball dels polsos de control de l’interruptor d’energia.

Ku = Uout / Uin

El cicle de treball "D" és la relació entre el temps en què la clau està oberta al període PWM. "D" pot prendre valors de 0 a 1.

IMPORTANT: Per a STI1 Ku = D. Això significa que els límits de regulació d’aquest estabilitzador són aproximadament iguals - 0 ... sortida.

La tensió de sortida d’un convertidor d’aquest tipus és similar a la polaritat del voltatge d’entrada.

Com augmenta el convertidor de tensió d'un impuls

IPPN2: és capaç d’augmentar el voltatge des del voltatge d’alimentació a un valor desenes de vegades superior al seu. Esquemàticament, consta dels mateixos elements que l’anterior.

Qualsevol convertidor d’aquest tipus té en la seva composició tres ingredients actius principals:

• Clau gestionada (bipolar, camp, Transistors IGBT i MOSFET);

• Clau sense controlar (díode rectificador);

• Inductància acumulada.

El corrent sempre flueix per la inductància, només canvia la seva magnitud.

Per entendre el principi de funcionament d’aquest convertidor, cal recordar la llei de commutació de l’inductor: "El corrent a través de l’inductor no es pot canviar a l’instant".

Això és causat per un fenomen com l’EMF d’autoinducció o la contraemf EMF. Com que el camp electromagnètic de la inductància impedeix un canvi brusc de corrent, la bobina es pot representar com una font d’energia. Aleshores, en aquest circuit, quan la clau es tanca a través de la bobina, comença a fluir un gran corrent, però, com s’ha dit clarament, no pot augmentar.

La contra-EMF és un fenomen quan als extrems de la bobina apareix un EMF oposat al que s'aplica. Si presenteu això al diagrama per obtenir més claredat, haureu d’imaginar l’inductor en forma de font d’EMF.

El número "1" indica l'estat del circuit quan la clau està tancada. Tingueu en compte que la font d’alimentació i el símbol EMF bobines estan connectats en sèrie amb els terminals positius, és a dir. els seus valors EMF resten. En aquest cas, la inductància impedeix el pas del corrent elèctric o, més aviat, alenteix el seu creixement. A mesura que creix, després d’un cert interval de temps constant, el valor de la contra-EMF disminueix i el corrent a través de la inductància augmenta.

Digressió lírica:

El valor de l’EMF d’autoinducció, com qualsevol altre EMF, es mesura en volts.

Durant aquest període de temps, el corrent principal flueix al circuit: clau d'alimentació-inductància tancada.

Quan s’obre la clau SA, el circuit 2. El corrent comença a fluir al llarg d’aquest circuit: alimentació-inductància-diode-càrrega. Des de la resistència de càrrega, sovint és molt més que la resistència del canal d’un transistor tancat. En aquest cas, de nou: el corrent que circula per la inductància no pot canviar bruscament, la inductància sempre busca mantenir la direcció i la magnitud del corrent, per tant, apareix de nou la contraemf, però en polaritat inversa.

Observeu com en el segon diagrama es connecten els pols de la font d’energia i la font d’EMF que substitueix la bobina. Estan connectats en sèrie per pols oposats i s’afegeixen els valors d’aquests EMF.

Així, es produeix un augment de la tensió.

Durant el procés d’emmagatzematge d’energia d’inductància, la càrrega s’alimenta amb energia que prèviament s’emmagatzemava en el condensador de suavització.

El coeficient de conversió en IPPN2 és

Ku = 1 / (1-D)

Com es pot veure a la fórmula: com més gran és el cicle de treball, major serà el voltatge de sortida. La polaritat de la potència de sortida és la mateixa que l’entrada d’aquest tipus de convertidors.

Com funciona el convertidor de tensió invertida

El convertidor de tensió d’inversió és un dispositiu força interessant, ja que pot funcionar tant en el mode de baixada de tensió com en el mode impuls. Tot i això, convé tenir en compte que la polaritat de la seva tensió de sortida és contrària a l’entrada, és a dir. El potencial positiu està en el fil conductor.

La inversió també es nota en la direcció en què està activat el díode D. El principi de funcionament és una mica similar al d’IPPN2. En el moment en què es tanca la clau T, es produeix el procés d’acumular energia d’inductància, la potència de la font no entra a la càrrega a causa del díode D. Quan la clau està tancada, l’energia de la inductància comença a dissipar-se en la càrrega.

El corrent continua fluint per la inductància, apareix una EMF d’auto-inducció dirigida de tal manera que es forma una polaritat oposada a la font d’alimentació primària als extrems de la bobina. I.e. a la unió de l’emissor del transistor (drenatge, si transistor d’efectes de camp), el càtode del díode i l'extrem de l'enrotllament de la bobina formen un potencial negatiu. A l’extrem oposat, respectivament, és positiu.

El factor de conversió IPPN3 és igual a:

Ku = D / (1-D)

Mitjançant les substitucions simples del factor d’emplenament a la fórmula, determinem que fins a un valor de D de 0,5, aquest convertidor actua com a convertidor descendent i des de dalt - com a convertidor amunt.

Com controlar aquest convertidor?

És possible descriure totes les opcions per a la construcció de controladors PWM de manera infinita. Es poden escriure diversos volums de literatura tècnica sobre això. Vull limitar-me a llistar algunes opcions senzilles:

1. Muntem un circuit multivibrador asimètric. En lloc de VT3, es connecta un transistor als circuits IPPN.

2. Una opció una mica més complicada, però més estable en termes de freqüència, és PWM sobre NE555 (feu clic a la imatge per ampliar-la).

Feu canvis al circuit, VT1 és un transistor, canviem el circuit de manera que al seu lloc hi hagi un transistor IPPN.

3. Opció d’ús microcontrolador, així que també podeu fer moltes funcions addicionals, perquè els principiants funcionin bé Microcontroladors AVR. Hi ha un meravellós vídeo tutorial sobre això.

Conclusions

Els convertidors de tensió de commutació són un tema molt important en la indústria de les fonts d’alimentació per a equips electrònics. Aquests circuits s'utilitzen a tot arreu i recentment, amb el creixement de "casolans" o com ara està de moda anomenar "DIY's" i la popularitat del lloc web aliexpress, aquests convertidors s'han tornat especialment populars i en demanda, podeu demanar una placa de circuit preparada que ja s'ha convertit en un convertidor clàssic per LM2596 i similars per només un parell de dòlars, mentre que podeu ajustar la tensió o el corrent, o tots dos.

 

Un altre consell popular és el mini-360

És possible que observeu que no hi ha cap transistor en aquests circuits. El fet és que està integrat al xip, a més hi ha un controlador PWM, circuits de retroalimentació per estabilitzar la tensió de sortida i molt més. Tot i això, es poden amplificar aquests circuits instal·lant un transistor addicional.

Si us interessa dissenyar un circuit per a les vostres necessitats, podeu llegir més informació sobre els ràtios de disseny de la literatura següent:

• "Components per a la generació de fonts d'energia", Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Grup d'empreses Symmetron

• "Convertidors de transistors estabilitzats" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.