Convertitori di impulsi. Abbassamento, nella terminologia inglese step-down o buck. Concorso di ricerca studentesca

Esistono due categorie di convertitori di tensione di commutazione:
con trasformatore
Con strozzatore di stoccaggio
Un convertitore di una qualsiasi di queste due categorie può essere sia step-down che step-up, nei dispositivi con induttanza di accumulo dipende dal circuito di commutazione, nei dispositivi con trasformatore dal rapporto di trasformazione.

Convertitori di tensione a impulsi con induttanza di accumulo

L'uscita di tali circuiti sarà sempre a tensione costante o pulsante.
Non è possibile ottenere la tensione CA alla loro uscita.

Il segnale che deve essere inviato al punto A1 rispetto al filo comune:

Come funzionano i convertitori di impulsi con induttanza di accumulo?

Considera l'esempio di un convertitore boost.
L'induttore di accumulo L1 è collegato in modo tale che quando il transistor T1 viene aperto, la corrente dalla sorgente "+ PIT" inizi a fluire attraverso di essi, mentre la corrente non aumenta istantaneamente nell'induttore, poiché l'energia viene immagazzinata nel magnetico campo dell'induttore.
Dopo la chiusura del transistor T1, l'energia immagazzinata nell'induttore deve essere rilasciata, ciò deriva dalla fisica dei fenomeni che si verificano nell'induttore, rispettivamente l'unico percorso per questa energia passa attraverso la sorgente + PIT, il diodo VD1 e il carico collegato all'USCITA.
In questo caso, la tensione di uscita massima dipende solo da una cosa: la resistenza del carico.
Se abbiamo un'induttanza ideale e se non c'è carico, la tensione di uscita sarà infinitamente grande, tuttavia, abbiamo a che fare con un'induttanza tutt'altro che ideale, quindi, senza carico, la tensione sarà semplicemente molto grande, possibilmente così grande che una rottura dell'aria o un dielettrico tra il terminale di USCITA e un filo comune, ma piuttosto una rottura del transistor.

Se l'induttore vuole rilasciare tutta l'energia che ha accumulato (meno le perdite), come regolare la tensione all'uscita di tali convertitori?
È molto semplice: immagazzinare esattamente quanta energia nell'induttore necessaria per creare la tensione desiderata a una resistenza di carico nota.
L'energia immagazzinata è regolata dalla durata degli impulsi che aprono il transistor (il tempo durante il quale il transistor è aperto).

In un convertitore step-down, si verificano esattamente gli stessi processi nell'induttanza, tuttavia, in questo caso, quando il transistor viene aperto, l'induttanza non consente alla tensione di uscita di aumentare istantaneamente e, dopo essere stata chiusa, rilasciando l'energia immagazzinata da un lato tramite il diodo VD1 e dall'altro tramite il carico collegato all'OUTPUT supporta la tensione al terminale OUTPUT.
La tensione all'uscita di tale convertitore non può essere maggiore della tensione + PIT.

Convertitori di tensione a commutazione con trasformatori

La conversione stessa avviene nel trasformatore, mentre non importa sull'hardware lo è per le basse frequenze; o su ferrite - per quelli alti da 1 kHz a 500 kHz e oltre.
L'essenza dei processi è sempre la stessa: se ci sono 10 giri nel primo avvolgimento del trasformatore e 20 nel secondo e applichiamo una tensione alternata di 10 volt al primo, nel secondo otterremo un tensione alternata della stessa frequenza ma 20 volt e, di conseguenza, con una corrente 2 volte inferiore a quella che scorre nel primo avvolgimento.

Cioè, il compito si riduce all'ottenimento di una tensione alternata, che deve essere applicata all'avvolgimento primario, da una sorgente corrente continua convertitore di alimentazione.

Funziona così:
quando il transistor T1 è aperto, la corrente scorre attraverso la metà superiore dell'avvolgimento - L1.1, quindi il transistor T1 si chiude e il transistor T2 si apre, la corrente inizia a fluire attraverso la metà inferiore dell'avvolgimento - L1.2, poiché la metà superiore dell'avvolgimento L1 è accesa con la sua estremità su + PIT a l'inizio inferiore, il campo magnetico nel nucleo del trasformatore scorre in una direzione quando T1 viene aperto e quando T2 viene aperto nell'altra, rispettivamente si crea una tensione alternata sul secondario L2.
L1.1 e L1.1 sono il più possibile identici tra loro.
vantaggi:
Alta efficienza quando si lavora da basso voltaggio alimentazione (solo metà della corrente richiesta scorre attraverso ciascuna metà dell'avvolgimento e del transistor).
Screpolatura:
Sovratensioni ai drain dei transistor pari al doppio della tensione di alimentazione (ad esempio, quando T1 è aperto e T2 è chiuso, la corrente scorre in L1.1, a sua volta, in L1.2, il campo magnetico crea una tensione pari a la tensione in L1.1 che, sommandosi alla tensione del generatore, incide su T2 chiuso).
Cioè, è necessario scegliere i transistor per una tensione massima consentita maggiore.
Applicazione:
Convertitori alimentati a bassa tensione (circa 12 volt).

Funziona così:
quando T1 è aperto, la corrente scorre attraverso il condensatore di carica C2 del primario (L1) del trasformatore, quindi chiude e apre T2, quindi ora la corrente scorre attraverso L1 nella direzione opposta, scaricando C2 e caricando C1.
Screpolatura:
La tensione fornita all'avvolgimento primario del trasformatore è due volte inferiore alla tensione + PIT.
Benefici:
Applicazione:
Convertitori alimentati dalla rete di illuminazione domestica, alimentatori di rete (ad esempio: alimentatori per computer).

Funziona così:
quando i transistor T1 e T4 sono accesi, la corrente scorre attraverso il primario del trasformatore in una direzione, quindi chiudono e aprono T2 e T3 la corrente scorre attraverso il primario nella direzione opposta.
Screpolatura:
La necessità di installare quattro potenti transistor.
Doppia caduta di tensione sui transistor (le cadute di tensione sui transistor T1 T4/ T2 T3 adiacenti si sommano).
Benefici:
Piena tensione di alimentazione sull'avvolgimento primario.
Assenza di doppie sovratensioni caratteristiche di un push-pool.
Applicazione:
Potenti convertitori alimentati da una rete di illuminazione domestica, alimentatori di rete (ad esempio: "trasformatori di saldatura pulsata").

I problemi comuni per i convertitori su trasformatori sono gli stessi problemi dei convertitori basati su induttanze di accumulo: saturazione del nucleo; la resistenza del filo da cui sono realizzati gli avvolgimenti; funzionamento dei transistor in modo lineare.

Convertitori di impulsi flyback e forward

Indietro e avanti convertitore di impulsi le tensioni sono "ibridi" di un convertitore basato su induttanza di archiviazione e un trasformatore, sebbene in sostanza si tratti di un convertitore basato su induttanza di archiviazione e questo non dovrebbe mai essere dimenticato.
Il principio di funzionamento di un tale convertitore è simile a un convertitore boost su un'induttanza di accumulo, con l'unica differenza che il carico è collegato non direttamente all'induttanza, ma a un altro avvolgimento avvolto sull'induttanza stessa.
Come in un convertitore boost, se viene acceso senza carico, la sua tensione di uscita tenderà al massimo.
Screpolatura:
Sovratensioni sul transistor chiave che creano la necessità di utilizzare transistor chiave per una tensione molto superiore a + PIT.
Alta tensione di uscita a vuoto.
vantaggi:
Isolamento galvanico del circuito di alimentazione e del circuito di carico.
Nessuna perdita associata alla rimagnetizzazione del nucleo (il campo magnetico scorre sempre nella stessa direzione nel nucleo).

Fenomeni da tenere presenti nella progettazione dei convertitori di tensione (e dei dispositivi di commutazione in genere)

Saturazione del nucleo (nucleo magnetico)- il momento in cui il materiale magneticamente conduttivo del nucleo dell'induttore o trasformatore è già così magnetizzato da non influenzare più i processi che si verificano nell'induttore o trasformatore. Quando il nucleo è saturo, l'induttanza degli avvolgimenti situati su di esso diminuisce rapidamente e la corrente attraverso gli avvolgimenti primari inizia ad aumentare, mentre la corrente massima è limitata solo dalla resistenza del filo dell'avvolgimento e viene scelta piccola come possibile, rispettivamente, la saturazione porta almeno al riscaldamento sia degli avvolgimenti dell'induttore che del transistore di potenza, al massimo alla distruzione del transistore di potenza.

Resistenza del filo di avvolgimento- introduce perdite nel processo, poiché impedisce l'accumulo e il rilascio di energia in un campo magnetico, provoca il riscaldamento del filo dell'avvolgimento dell'induttore.
Soluzione: utilizzare un filo con resistenza minima (filo più spesso, filo realizzato con materiali a bassa resistività).

Il funzionamento dei transistor di potenza in modalità lineare- nel caso in cui il generatore di segnali utilizzato per controllare i transistor produca n impulsi rettangolari e impulsi con un lento aumento e diminuzione della tensione, che può verificarsi se la capacità di gate dei transistor di potenza è grande e il driver (amplificatore speciale) non è in grado di fornire una corrente significativa per caricare questa capacità, ci sono momenti in cui il transistor è in modalità lineare, cioè ha una certa resistenza diversa da zero e infinitamente grande, in relazione alla quale la corrente lo attraversa e il calore viene rilasciato su di esso, peggiorando l'efficienza del convertitore.

Problemi specifici dei convertitori di tensione che utilizzano trasformatori

Tuttavia, questi problemi sono inerenti a qualsiasi dispositivo con un potente stadio di uscita push-pull.

Attraverso la corrente
Considera l'esempio di un circuito a mezzo ponte: se per qualche motivo il transistor T2 si apre prima che T1 si sia completamente chiuso, ci sarà una corrente passante da + PIT a filo comune, che scorrerà attraverso entrambi i transistor provocando un'inutile generazione di calore su di essi.
Soluzione: creare un ritardo tra il potenziale all'ingresso G1 che scende a zero (vedi diagramma semiponte) e il potenziale all'ingresso G2 che aumenta.
Questo tempo di ritardo è chiamato tempo morto e graficamente può essere illustrato con un oscillogramma:

Effetto Miller
Ancora una volta, considera l'esempio di un semiponte: quando il transistor T1 si apre, viene applicata una tensione al transistor T2, che aumenta rapidamente (con la velocità di apertura di T1), poiché questa tensione è grande, anche una piccola capacità interna tra il cancello e la sorgente, durante la carica, crea un notevole potenziale al cancello, che apre T2, seppur per breve tempo, ma creando corrente, anche con tempi morti.
Soluzione: applicazione driver potenti transistor in grado non solo di erogare, ma anche di accettare grandi correnti.

Cosa non va dimenticato

Convertitore buck con induttanza di immagazzinamento, semiponte e ponte - circuiti che non sono così semplici come sembrano a prima vista, principalmente perché la sorgente del transistor nel convertitore buck e le sorgenti dei transistor superiori nel ponte e nel semiponte sono sotto tensione di alimentazione.
Come sappiamo, voltaggio di controllo al gate del transistor deve essere applicato rispetto alla sua sorgente, per bipolare alla base rispetto all'emettitore.
Soluzioni:
Utilizzo di alimentatori galvanicamente isolati per circuiti di gate (basi):



Il generatore G1 genera segnali antifase e genera deadtime, driver U1 e U2 transistor ad effetto di campo, l'optoaccoppiatore disaccoppia galvanicamente il circuito di ingresso del driver superiore dall'uscita del generatore, che è alimentato da un altro avvolgimento del trasformatore.

Applicazione trasformatore di impulsi per l'isolamento galvanico dei circuiti di gate (base):

L'isolamento galvanico è fornito dall'introduzione di un altro trasformatore di impulsi: GDT.

Esiste un altro metodo: "boostrap", ma è improbabile che ti piaccia, per i dettagli, vedere la documentazione per il chip IR2153, in particolare il metodo per ottenere la tensione di alimentazione per controllare il transistor chiave superiore nei circuiti.

Quando si progetta un convertitore, è necessario tenerne conto dispositivo a impulsi attraverso i conduttori di cui scorrono correnti significative, che cambiano drasticamente, e questo è un dispositivo in cui forti campi magnetici- tutto ciò crea terreno fertile per l'emergere di tutta una serie di interferenze ad ampio spettro.
Durante il cablaggio circuiti stampati dovresti sforzarti di rendere tutti i conduttori di alimentazione del circuito il più corti e dritti possibile, shunt condensatori elettrolitici con pellicola o ceramica su capacità 0,1... 1uF nelle immediate vicinanze degli elementi di potenza, per evitare la fuoriuscita di disturbi ad alta frequenza nella rete di illuminazione, se il dispositivo è alimentato da rete, installare lungo la filiera tensione di rete Filtri passa basso LC.

Nonostante molti momenti difficili, i convertitori di tensione a impulsi sono ampiamente utilizzati e quelli che funzionano ad alta frequenza (da decine a centinaia di kilohertz) presentano una serie di vantaggi, come segue:
Alta efficienza, fino al 97%;
Peso ridotto;
Piccole dimensioni.

Per convertire la tensione di un livello nella tensione di un altro livello viene spesso utilizzato convertitori di tensione a impulsi usando accumulo induttivo di energia. Tali convertitori sono caratterizzati da un'elevata efficienza, che a volte raggiunge il 95%, e hanno la capacità di ottenere una tensione di uscita aumentata, ridotta o invertita.

In base a ciò, sono noti tre tipi di circuiti di conversione: step-down (Fig. 4.1), step-up (Fig. 4.2) e inversione (Fig. 4.3).

Cinque elementi sono comuni a tutti questi tipi di convertitori: una fonte di alimentazione, un elemento di commutazione chiave, un dispositivo di accumulo di energia induttivo (un induttore, un'induttanza), un diodo di blocco e un condensatore di filtro collegato in parallelo alla resistenza di carico.

L'inclusione di questi cinque elementi in varie combinazioni consente di implementare uno qualsiasi dei tre tipi di convertitori di impulsi.

Il livello di tensione di uscita del convertitore è controllato modificando l'ampiezza degli impulsi che controllano il funzionamento dell'elemento di commutazione chiave e, di conseguenza, l'energia immagazzinata nel dispositivo di accumulo induttivo.

La tensione di uscita viene stabilizzata utilizzando il feedback: quando la tensione di uscita cambia, l'ampiezza dell'impulso cambia automaticamente.

Il convertitore buck (Fig. 4.1) contiene un circuito collegato in serie di un elemento di commutazione S1, un accumulo di energia induttivo L1, una resistenza di carico Rn e un condensatore di filtro collegato in parallelo ad esso C1. Il diodo di blocco VD1 è collegato tra il punto di connessione della chiave S1 con l'accumulo di energia L1 e un filo comune.

Riso. 4.1. Il principio di funzionamento del convertitore di tensione step-down

Riso. 4.2. Il principio di funzionamento del convertitore di tensione step-up

In chiave pubblica il diodo è chiuso, l'energia dell'alimentatore è immagazzinata nell'accumulo di energia induttivo. Dopo aver chiuso (aperto) il tasto S1, l'energia immagazzinata dall'accumulo induttivo L1 viene trasferita attraverso il diodo VD1 alla resistenza di carico R n. Il condensatore C1 attenua l'ondulazione di tensione.

Il convertitore di tensione a impulsi step-up (Fig. 4.2) è realizzato sugli stessi elementi di base, ma ha una combinazione diversa di essi: un circuito in serie di un dispositivo di accumulo di energia induttivo L1, un diodo VD1 e una resistenza di carico con un condensatore di filtro collegato in parallelo C1 è collegato alla fonte di alimentazione. L'elemento di commutazione S1 è collegato tra il punto di connessione dell'accumulatore di energia L1 con il diodo VD1 e il bus comune.

Quando l'interruttore è aperto, la corrente dalla fonte di alimentazione scorre attraverso l'induttore, in cui viene immagazzinata l'energia. Il diodo VD1 è chiuso, il circuito di carico è scollegato dalla fonte di alimentazione, dalla chiave e dall'accumulo di energia. La tensione sulla resistenza di carico viene mantenuta grazie all'energia immagazzinata sul condensatore del filtro. Quando la chiave viene aperta, l'EMF di autoinduzione viene aggiunto alla tensione di alimentazione, l'energia immagazzinata viene trasferita al carico attraverso il diodo aperto VD1. La tensione di uscita così ottenuta supera la tensione di alimentazione.

Riso. 4.3. Conversione di tensione a impulsi con inversione

L'inverter a impulsi contiene tutti la stessa combinazione Elementi basici, ma sempre in una connessione diversa (Fig. 4.3): un circuito in serie di un elemento di commutazione S1, un diodo VD1 e una resistenza di carico R n con un condensatore di filtro C1 è collegato alla fonte di alimentazione. L'accumulo di energia induttivo L1 è collegato tra il punto di connessione dell'elemento di commutazione S1 con il diodo VD1 e il bus comune.

Il convertitore funziona così: quando la chiave è chiusa, l'energia viene immagazzinata in un accumulatore induttivo. Il diodo VD1 è chiuso e non trasmette corrente dalla fonte di alimentazione al carico. Quando l'interruttore è spento, l'EMF di autoinduzione del dispositivo di accumulo di energia viene applicato al raddrizzatore contenente il diodo VD1, la resistenza di carico R n e il condensatore di filtro C1. Poiché il diodo raddrizzatore trasmette al carico solo impulsi di tensione negativi, all'uscita del dispositivo si forma una tensione di segno negativo (inversa, di segno opposto alla tensione di alimentazione).

Per stabilizzare la tensione di uscita di regolatori a commutazione di qualsiasi tipo, è possibile utilizzare regolatori "lineari" convenzionali, ma hanno una bassa efficienza. A questo proposito, è molto più logico utilizzare stabilizzatori di tensione a impulsi per stabilizzare la tensione di uscita dei convertitori di impulsi, soprattutto perché tale stabilizzazione non è affatto difficile.

Gli stabilizzatori di tensione di commutazione, a loro volta, sono suddivisi in Stabilizzatori a modulazione di ampiezza di impulso e via stabilizzatori con modulazione frequenza-impulso. Nel primo, la durata degli impulsi di controllo cambia a una frequenza costante della loro ripetizione. In secondo luogo, al contrario, la frequenza degli impulsi di controllo cambia con la loro durata invariata. Sono presenti stabilizzatori d'impulso con regolazione mista.

Di seguito verranno presi in considerazione esempi radioamatori dello sviluppo evolutivo di convertitori di impulsi e stabilizzatori di tensione.

L'oscillatore principale (Fig. 4.4) dei convertitori di impulsi con tensione di uscita non stabilizzata (Fig. 4.5, 4.6) sul chip KR1006VI1 (NE 555) opera a una frequenza di 65 kHz. Gli impulsi rettangolari in uscita del generatore vengono inviati attraverso circuiti RC a elementi chiave del transistor collegati in parallelo.

L'induttore L1 è inserito anello di ferrite con un diametro esterno di 10 mm e una permeabilità magnetica di 2000. La sua induttanza è di 0,6 mH. L'efficienza del convertitore raggiunge l'82%. L'ampiezza dell'ondulazione in uscita non supera i 42 mV e dipende dal valore della capacità

Riso. 4.4. Circuito di pilotaggio oscillatore per convertitori di tensione a impulsi

Riso. 4.5. Schema della parte di potenza del convertitore di tensione a impulsi step-up +5/12 V

Riso. 4.6. Schema di un convertitore di tensione a impulsi invertenti +5 / -12 V

condensatori all'uscita del dispositivo. La corrente di carico massima dei dispositivi (Fig. 4.5, 4.6) è 140 mA.

Il raddrizzatore del convertitore (Fig. 4.5, 4.6) utilizzato collegamento in parallelo diodi ad alta frequenza a bassa corrente collegati in serie con resistori di equalizzazione R1 - R3. L'intero gruppo può essere sostituito da un diodo moderno, progettato per una corrente superiore a 200 mA a una frequenza fino a 100 kHz e una tensione inversa di almeno 30 V (ad esempio KD204, KD226). Come VT1 e VT2, è possibile utilizzare transistor del tipo KT81x: n-p-n strutture- KT815, KT817 (Fig. 4.5) e p-n-p - KT814, KT816 (Fig. 4.6) e altri. Per migliorare l'affidabilità del convertitore, si consiglia di collegare un diodo del tipo KD204, KD226 in parallelo alla giunzione emettitore-collettore del transistor in modo che sia chiuso per la corrente continua.

I convertitori CC/CC sono ampiamente utilizzati per alimentare varie apparecchiature elettroniche. Sono utilizzati in apparecchiature informatiche, dispositivi di comunicazione, vari schemi controllo e automazione, ecc.

Alimentatori a trasformatore

In tradizionale blocchi del trasformatore la tensione di alimentazione della rete di alimentazione con l'aiuto di un trasformatore viene convertita, il più delle volte abbassata, al valore desiderato. La bassa tensione viene rettificata da un ponte a diodi e livellata da un filtro condensatore. Se necessario, dopo il raddrizzatore viene posizionato uno stabilizzatore a semiconduttore.

Gli alimentatori a trasformatore sono generalmente dotati di stabilizzatori lineari. Tali stabilizzatori hanno almeno due vantaggi: questo è un basso costo e un piccolo numero di parti nell'imbracatura. Ma questi vantaggi sono assorbiti dalla bassa efficienza, poiché una parte significativa della tensione di ingresso viene utilizzata per riscaldare il transistor di controllo, il che è del tutto inaccettabile per alimentare dispositivi elettronici portatili.

Convertitori CC/CC

Se l'apparecchiatura è alimentata da celle galvaniche o batterie, la conversione della tensione al livello desiderato è possibile solo con l'ausilio di convertitori CC / CC.

L'idea è abbastanza semplice: pressione costante viene convertito in una variabile, di regola, con una frequenza di diverse decine e persino centinaia di kilohertz, aumenta (diminuisce), quindi viene rettificata e immessa nel carico. Tali convertitori sono spesso indicati come convertitori di impulsi.

Un esempio è un convertitore boost da 1,5 V a 5 V, solo la tensione di uscita di un computer USB. Un simile convertitore a bassa potenza è venduto su Aliexpress - http://ali.pub/m5isn.

Riso. 1. Convertitore 1,5 V / 5 V

I convertitori di impulsi sono buoni perché hanno un'elevata efficienza, entro il 60..90%. Un altro vantaggio dei convertitori di impulsi è un'ampia gamma di tensioni di ingresso: la tensione di ingresso può essere inferiore alla tensione di uscita o molto superiore. In generale, i convertitori CC/CC possono essere suddivisi in diversi gruppi.

Classificazione del convertitore

Abbassamento, nella terminologia inglese step-down o buck

La tensione di uscita di questi convertitori, di regola, è inferiore alla tensione di ingresso: senza molte perdite per il riscaldamento del transistor di controllo, è possibile ottenere una tensione di pochi volt con una tensione di ingresso di 12 ... 50 V. La corrente di uscita di tali convertitori dipende dalle esigenze del carico, che a sua volta determina il progetto del circuito del convertitore.

Un altro nome inglese per il convertitore chopper buck. Una delle traduzioni di questa parola è un interruttore. Nella letteratura tecnica, un convertitore buck viene talvolta chiamato "chopper". Per ora, ricorda solo questo termine.

Crescente, nella terminologia inglese intensificare o aumentare

La tensione di uscita di questi convertitori è superiore alla tensione di ingresso. Ad esempio, con una tensione di ingresso di 5 V, è possibile ottenere una tensione fino a 30 V in uscita ed è possibile la sua regolazione e stabilizzazione fluide. Molto spesso i convertitori boost sono chiamati booster.

Convertitori universali - SEPIC

La tensione di uscita di questi convertitori viene mantenuta a un determinato livello quando la tensione di ingresso è superiore o inferiore alla tensione di ingresso. È consigliato nei casi in cui la tensione di ingresso può variare notevolmente. Ad esempio, in un'auto, la tensione della batteria può variare tra 9 ... 14 V ed è necessaria una tensione stabile di 12 V.

Convertitori invertenti - Convertitori invertenti

La funzione principale di questi convertitori è quella di ottenere la tensione in uscita polarità inversa per quanto riguarda la fonte di alimentazione. Molto comodo nei casi in cui è richiesta l'alimentazione bipolare, ad esempio.

Tutti i convertitori citati possono essere stabilizzati o non stabilizzati, la tensione di uscita può essere collegata galvanicamente alla tensione di ingresso o avere l'isolamento galvanico della tensione. Tutto dipende dal dispositivo specifico in cui verrà utilizzato il convertitore.

Per passare a un'ulteriore storia sui convertitori CC / CC, dovresti almeno capire la teoria in termini generali.

Convertitore buck chopper - convertitore di tipo buck

Il suo diagramma funzionale è mostrato nella figura seguente. Le frecce sui fili indicano la direzione delle correnti.

Fig.2. Schema funzionale dello stabilizzatore chopper

La tensione di ingresso Uin viene applicata al filtro di ingresso - condensatore Cin. Il transistor VT viene utilizzato come elemento chiave, esegue la commutazione della corrente ad alta frequenza. Questo può essere un MOSFET, IGBT o un transistor bipolare convenzionale. Oltre a questi dettagli, il circuito contiene un diodo di scarica VD e un filtro di uscita - LCout, dal quale viene fornita la tensione al carico Rн.

È facile vedere che il carico è collegato in serie con gli elementi VT e L. Pertanto, il circuito è sequenziale. Come avviene la caduta di tensione?

Modulazione dell'ampiezza di impulso - PWM

Il circuito di controllo genera impulsi rettangolari con una frequenza costante o un periodo costante, che è essenzialmente la stessa cosa. Questi impulsi sono mostrati nella Figura 3.

Fig.3. Impulsi di controllo

Qui t è il tempo dell'impulso, il transistor è aperto, tp è il tempo di pausa, il transistor è chiuso. Il rapporto ti/T è chiamato duty cycle duty cycle, indicato dalla lettera D ed è espresso in %% o semplicemente in numeri. Ad esempio, con D uguale al 50%, risulta che D=0,5.

Pertanto, D può variare da 0 a 1. Con un valore di D=1, il transistor a chiave è in uno stato di piena conduzione e con D=0 in uno stato di cutoff, semplicemente parlando, è chiuso. È facile intuire che a D=50% la tensione di uscita sarà pari alla metà della tensione di ingresso.

È del tutto evidente che la regolazione della tensione di uscita avviene variando l'ampiezza dell'impulso di controllo t e, appunto, variando il coefficiente D. Questo principio di regolazione è chiamato (PWM). Praticamente in tutto blocchi di impulsiÈ con l'aiuto di PWM che la tensione di uscita viene stabilizzata.

Nei circuiti mostrati nelle Figure 2 e 6, il PWM è "nascosto" nei rettangoli etichettati "Control Circuit", che esegue alcune funzioni aggiuntive. Ad esempio, potrebbe essere inizio morbido tensione di uscita, attivazione remota o protezione da cortocircuito del convertitore.

In generale, i convertitori sono così ampiamente utilizzati che i produttori di componenti elettronici hanno lanciato la produzione di controller PWM per tutte le occasioni. La gamma è così grande che ci vorrebbe un intero libro solo per elencarli. Pertanto, non viene in mente a nessuno di assemblare convertitori su elementi discreti, o come spesso si dice in termini "sciolti".

Inoltre, i piccoli convertitori di potenza già pronti possono essere acquistati su Aliexpress o Ebay a un piccolo prezzo. Allo stesso tempo, per l'installazione in un design amatoriale, è sufficiente saldare i fili all'ingresso e all'uscita sulla scheda e impostare la tensione di uscita richiesta.

Ma torniamo alla nostra Figura 3. In questo caso, il coefficiente D determina per quanto tempo sarà aperto (fase 1) o chiuso (fase 2). Per queste due fasi, il circuito può essere rappresentato da due figure. Le figure NON MOSTRANO quegli elementi che non vengono utilizzati in questa fase.

Fig.4. Fase 1

Quando il transistor è aperto, la corrente dalla fonte di alimentazione (cella galvanica, batteria, raddrizzatore) passa attraverso induttanza induttiva L, il carico Rn e il condensatore di carica Cout. In questo caso, la corrente scorre attraverso il carico, il condensatore Cout e l'induttore L accumulano energia. La corrente iL AUMENTA GRADUALMENTE per l'influenza dell'induttanza dell'induttore. Questa fase è chiamata pompaggio.

Dopo che la tensione sul carico ha raggiunto il valore specificato (determinato dall'impostazione del dispositivo di controllo), il transistor VT si chiude e il dispositivo passa alla seconda fase: la fase di scarica. Il transistor chiuso non è affatto mostrato nella figura, come se non esistesse. Ma questo significa solo che il transistor è chiuso.

Fig.5. Fase 2

Quando il transistor VT è chiuso, non c'è rifornimento di energia nell'induttore, poiché l'alimentazione è scollegata. L'induttanza L tende ad impedire un cambiamento nell'ampiezza e nella direzione della corrente (autoinduzione) che scorre attraverso l'avvolgimento dell'induttore.

Pertanto, la corrente non può fermarsi all'istante e si chiude attraverso il circuito del "carico del diodo". Per questo motivo, il diodo VD è stato chiamato diodo a scarica. Di norma, questo è un diodo Schottky ad alta velocità. Trascorso il periodo di controllo, fase 2, il circuito passa alla fase 1, il processo si ripete nuovamente. Tensione massima all'uscita del circuito considerato può essere uguale all'ingresso e non di più. I convertitori boost vengono utilizzati per ottenere una tensione di uscita maggiore della tensione di ingresso.

Per ora è solo necessario richiamare il valore effettivo dell'induttanza, che determina le due modalità di funzionamento del chopper. Con un'induttanza insufficiente, il convertitore funzionerà nella modalità di correnti discontinue, che è completamente inaccettabile per gli alimentatori.

Se l'induttanza è sufficientemente grande, il funzionamento avviene nella modalità di correnti continue, che consente di utilizzare filtri di uscita per ottenere una tensione costante con un livello di ondulazione accettabile. I convertitori boost funzionano anche in modalità corrente continua, che verrà discussa di seguito.

Per un certo aumento di efficienza, il diodo di scarica VD viene sostituito da un transistor MOSFET, che viene aperto al momento giusto dal circuito di controllo. Tali convertitori sono chiamati sincroni. Il loro uso è giustificato se la potenza del convertitore è sufficientemente grande.

Convertitori step-up o boost

I convertitori step-up vengono utilizzati principalmente per l'alimentazione a bassa tensione, ad esempio da due o tre batterie, e alcuni componenti del design richiedono una tensione di 12 ... 15 V con un basso consumo di corrente. Abbastanza spesso, un convertitore boost viene brevemente e chiaramente chiamato la parola "booster".

Fig.6. Schema funzionale di un convertitore boost

La tensione di ingresso Uin viene alimentata al filtro di ingresso Cin e alimentata all'L collegato in serie e al transistore di commutazione VT. Un diodo VD è collegato al punto di connessione della bobina e al drain del transistor. Il carico Rl e il condensatore shunt Cout sono collegati all'altro terminale del diodo.

Il transistor VT è controllato da un circuito di controllo che genera un segnale di controllo di frequenza stabile con un duty cycle D regolabile, proprio come descritto un po' più in alto quando si descrive il circuito del chopper (Fig. 3). Il diodo VD al momento giusto blocca il carico dal transistor chiave.

Quando il transistor a chiave è aperto, l'uscita della bobina L, proprio secondo lo schema, è collegata al polo negativo del generatore Uin. L'aumento della corrente (influisce sull'influenza dell'induttanza) dalla fonte di alimentazione scorre attraverso la bobina e il transistor aperto, l'energia si accumula nella bobina.

In questo momento, il diodo VD blocca il carico e il condensatore di uscita dal circuito di commutazione, impedendo così la scarica del condensatore di uscita attraverso il transistor aperto. Il carico in questo momento è alimentato dall'energia immagazzinata nel condensatore Cout. Naturalmente, la tensione attraverso il condensatore di uscita diminuisce.

Non appena la tensione di uscita diventa leggermente inferiore a quella specificata (determinata dalle impostazioni del circuito di controllo), il transistor chiave VT si chiude e l'energia immagazzinata nell'induttore ricarica il condensatore Cout attraverso il diodo VD, che alimenta il carico . In questo caso, l'EMF di autoinduzione della bobina L viene sommato alla tensione di ingresso e trasferito al carico, pertanto la tensione di uscita è maggiore della tensione di ingresso.

Quando la tensione di uscita raggiunge il livello di stabilizzazione impostato, il circuito di controllo apre il transistor VT e il processo viene ripetuto dalla fase di accumulo di energia.

Convertitori universali - SEPIC (convertitore a induttore primario single-ended o un convertitore con un induttore primario caricato asimmetricamente).

Tali convertitori vengono utilizzati principalmente quando il carico ha poca potenza e la tensione di ingresso cambia rispetto alla tensione di uscita verso l'alto o verso il basso.

Fig.7. Schema funzionale del convertitore SEPIC

È molto simile al circuito del convertitore boost mostrato in Figura 6, ma ha elementi aggiuntivi: un condensatore C1 e una bobina L2. Sono questi elementi che garantiscono il funzionamento del convertitore nella modalità di riduzione della tensione.

I convertitori SEPIC vengono utilizzati nei casi in cui la tensione di ingresso varia in un ampio intervallo. Un esempio è il regolatore del convertitore step up/down di tensione buck da 4 V-35 V a 1,23 V-32 V. È con questo nome che nei negozi cinesi viene venduto un convertitore, il cui circuito è mostrato in Figura 8 (clicca sull'immagine per ingrandirla).

Fig.8. schema elettrico Convertitore SEPIC

La figura 9 mostra l'aspetto della scheda con la designazione degli elementi principali.

Fig.9. Aspetto del convertitore SEPIC

La figura mostra le parti principali secondo la figura 7. Da notare la presenza di due bobine L1 L2. Con questo segno, puoi determinare che si tratta di un convertitore SEPIC.

La tensione di ingresso della scheda può essere compresa tra 4 ... 35 V. In questo caso, la tensione di uscita può essere regolata entro 1,23 ... 32V. La frequenza operativa del convertitore è di 500 kHz Con dimensioni ridotte di 50 x 25 x 12 mm, la scheda fornisce una potenza fino a 25 watt. Massima corrente di uscita fino a 3A.

Ma qui è opportuno fare un'osservazione. Se la tensione di uscita è impostata su 10 V, la corrente di uscita non può essere superiore a 2,5 A (25 W). Con una tensione di uscita di 5V e corrente massima La potenza di 3 A sarà di soli 15 W. La cosa principale qui è non esagerare: o non superare la potenza massima consentita o non superare la corrente consentita.

Oggi considereremo diversi circuiti di semplici, si potrebbe anche dire: semplici convertitori di tensione CC-CC pulsati (convertitori di una tensione costante di un valore in una tensione costante di un altro valore)

Quali sono i buoni convertitori di impulsi. In primo luogo, hanno un'elevata efficienza e, in secondo luogo, possono funzionare a una tensione di ingresso inferiore a quella di uscita. I convertitori di impulsi sono divisi in gruppi:

• - abbassamento, sollevamento, inversione;
• - stabilizzato, non stabilizzato;
• - galvanicamente isolato, non isolato;
• - con una gamma ristretta e ampia di tensioni di ingresso.

Per la produzione di convertitori di impulsi fatti in casa, è meglio utilizzare circuiti integrati specializzati: sono più facili da assemblare e non capricciosi durante l'installazione. Quindi, ecco 14 schemi per tutti i gusti:

Questo convertitore funziona ad una frequenza di 50 kHz, l'isolamento galvanico è fornito da un trasformatore T1, che è avvolto su un anello K10x6x4.5 in ferrite 2000NM e contiene: avvolgimento primario - 2x10 spire, avvolgimento secondario - 2x70 spire di PEV-0.2 filo. I transistor possono essere sostituiti con KT501B. La corrente della batteria, in assenza di carico, non viene praticamente consumata.

Il trasformatore T1 è avvolto su un anello di ferrite con un diametro di 7 mm e contiene due avvolgimenti di 25 spire di filo PEV = 0,3.

Convertitore push-pull non stabilizzato basato su un multivibratore (VT1 e VT2) e un amplificatore di potenza (VT3 e VT4). La tensione di uscita è selezionata dal numero di giri dell'avvolgimento secondario del trasformatore di impulsi T1.

Un convertitore di tipo stabilizzante basato su un chip MAX631 di MAXIM. La frequenza di generazione è 40 ... 50 kHz, l'elemento di memoria è l'induttanza L1.

Puoi utilizzare uno dei due chip separatamente, ad esempio il secondo, per moltiplicare la tensione di due batterie.

Un circuito tipico per accendere uno stabilizzatore boost di commutazione su un chip MAX1674 di MAXIM. Il funzionamento è mantenuto all'ingresso tensione 1.1 volt. Efficienza - 94%, corrente di carico - fino a 200 mA.

Consente di ricevere due diverse tensioni stabilizzate con un'efficienza del 50 ... 60% e una corrente di carico fino a 150 mA in ciascun canale. I condensatori C2 e C3 sono dispositivi di accumulo di energia.

8. Commutazione dello stabilizzatore step-up sul chip MAX1724EZK33 da MAXIM

Un circuito tipico per l'accensione di un microcircuito specializzato di MAXIM. Rimane operativo a una tensione di ingresso di 0,91 volt, ha un contenitore SMD di piccole dimensioni e fornisce una corrente di carico fino a 150 mA con un'efficienza del 90%.