1.2.1 Diodin toimintaperiaate ja virta-jännite-ominaisuus (vaha).

1.2.2. Diodien tyypit

1.3. Bipolaariset transistorit

1.3.1. Transistorin toimintaperiaate.

1.3.2 Transistorin staattinen wah

1.4 Yksinapaiset (kenttä)transistorit.

1.4.1. Kenttätransistorit pn-liitoksella.

1.4.2. МДП - transistorit.

1.5. Tyristorit

1.5.1. Tyristorien luokitus

1.5.2. Diodityristorin toimintaperiaate

1.5.3. Triodityristorin toimintaperiaate.

2. Vahvistimet

2.1 Vahvistimien käyttötarkoitus ja luokitus

2.2. Vahvistusasteiden rakentamisen periaate.

2.3. Yhteinen emitterivahvistinaste.

2.4. Kondensaattorikytketyt monivaiheiset vahvistimet.

2.5. Tehovahvistimet.

2.5.1 Luokan a tehovahvistin muuntajalla kytketyllä kuormalla (Kuva 2.6)

2.5.2. Push-pull tehovahvistin (kuva 2.7)

2.6. Palautteen vahvistimet

2.7 DC-vahvistimet

2.8. Operaatiovahvistimet (oh).

2.8.1. Invertoiva vahvistin (kuva 2.19)

2.9.1. Vertailijat. Schmittin laukaisin

2.9.2. Multivibraattorit

2.9.3. Monovibraattorit

3. Tasasuuntaajat

3.1. Yksivaiheinen täysaalto ohjaamaton tasasuuntaaja nollaliittimellä.

3.2.1. Tasasuuntaajan toiminta aktiivi-induktiivisella kuormalla.

3.2.2. Tasasuuntaajan toiminta aktiivisella kapasitiivisella kuormalla

3.3. Yksivaiheinen siltatasasuuntaaja

3.4. Siltatasasuuntaaja nollapistemuuntajalla

3.5. Kolmivaiheinen tasasuuntaaja nollaliittimellä

3.6. Kolmivaiheinen siltatasasuuntaaja

3.6. Yksivaiheohjattu tasasuuntaaja

4. Yksitoimisten tyristorien kytkentä

4.1. Rinnakkaiset kytkentäsolmut.

4.2. Sarjakytkentäsolmut

5. DC-jännitemuuntajien kytkeminen

5.1. Vakiojännitteen pulssisäätömenetelmät

5.2. Ippn rinnakkaiskommutaatiolla ja kommutointipiiri, joka on kytketty rinnan tehotyristorin kanssa

5.3. Ippn sarjakytkennällä

6. Invertterit.

6.1. Itsenäiset virtainvertterit (ait)

6.1.1. Yksivaiheinen rinnakkaisvirtainvertteri.

6.1.2. Kolmivaiheinen rinnakkainen ait

6.2. Autonomiset resonanssiinvertterit (ACI).

6.2.1. Sarjakalamus

6.2.2. Sarjailma vastadiodeilla.

6.3. Autonomiset jänniteinvertterit.

6.3.1. Menetelmä invertterin lähtöjännitteen generoimiseksi vaihtelevan napaisuuden ja samankestoisten pulssien muodossa.

6.3.2. Pulssinleveysmenetelmä invertterin lähtöjännitteen muodostamiseksi ja säätämiseksi.

6.3.2.1. Shir kuormasta riippuvaisella lähtöjännitteen aaltomuodolla.

6.3.2.2. Shir kuormituksesta riippumattomalla lähtöjännitteen aaltomuodolla.

6.3.3. Invertterin lähtöjännitekäyrän muodostus, jonka harmoninen pitoisuus on pienempi.

7. Optoelektroniikka

7.2. Valokuvailmaisimet.

2.Photodiodit.

3. Fototransistorit (kuva 7.8).

4. Fototyristorit.

7.3. Valonohjaimet ja yksinkertaisimmat optoerottimet

8. Digitaalinen tekniikka

8.1 Logiikkaalgebran aksioomit, lait, identiteetit ja lauseet

8.2. Logiikkaelementit diodeissa ja bipolaarisissa transistoreissa.

8.2.1. Looginen elementti tai.

8.2.2. Logiikkaelementti ja.

8.2.3. Logiikkaportti ei.

8.2.4. Looginen elementti tai ei.

8.2.5. Looginen elementti ja-ei.

8.3 Logiikkaelementtien parametrit.

8.4 Kenttätransistoreiden logiikkaelementit.

8.4.1. Logiikkaportti ei.

8.4.2. Looginen elementti tai ei.

8.4.3 Boolen elementti ja ei.

5. DC-jännitemuuntajien kytkeminen

Kuva 5.1

IPPN on suunniteltu muuttamaan vakiojännitteen arvoa. Ne toimivat kuorman syöttämiseksi vakiojännitteellä UH, joka eroaa virtalähteen E jännitteestä. Tällöin joskus on tarpeen stabiloida U n muuttaessaan E ja kuormitusvirtaa tai muuttaa U n tietyn mukaisesti. laki, riippumatta E.

Tällaisten muuntimien lähtöjännitteelle on tunnusomaista suorakaiteen muotoisten pulssien sarja, joiden kesto on t ja tauko t p (kuva 5.1), jonka amplitudi on lähellä E:tä ja lähtöjännitteen U n keskiarvo.

IPPN:n toimintaperiaate perustuu säätävän puolijohdelaitteen avainkäyttötilaan, joka ajoittain kytkee virtalähteen E muuntimen lähtöpiiriin.

5.1. Vakiojännitteen pulssisäätömenetelmät

ITPN:n lähtöjännitteen säätö tapahtuu pulssimenetelmin muuttamalla lähtösignaalien parametreja. Yleisimmin käytettyjä ovat pulssinleveys-, pulssi-taajuusmenetelmät ja niiden yhdistelmä.

Pulssinleveyden ohjausmenetelmä (WID) suoritetaan muuttamalla lähtöpulssien t kestoa (leveyttä) ja niiden jatkuvalla toistojaksolla T = const;
... Muuntimen lähtöjännitteen keskiarvo WID:ssä:

, (5.1)

missä
- säätökerroin.

Tämän kaavan mukaisesti ITPN:n lähtöjännitteen säätöalue WID:llä on nollasta (t ja = 0; γ = 0) arvoon E (t ja = T; γ = 1).

Kuva 5.2

Pulssitaajuusohjaus (PFR) suoritetaan muuttamalla lähtöpulssien toistotiheyttä
ja niiden kesto t ja = const eivät muutu. Muuntimen säätöominaisuuksia kuvaa suhde:
(5.2)

Lähtöjännite E vastaa pulssin toistotaajuutta, joka on yhtä suuri kuin , ja nolla lähtöjännite
.

SHIR:n ja CHIR:n yhdistetty käyttö koostuu lähtöpulssien t ja ja kahden parametrin muuttamisesta ja sitä kutsutaan yhdistetyksi.

Tarkastellaan yleisimpiä IPPN-piirien rakentamisen periaatteita (kuva 5.2.a). Esitämme tavanomaisesti säätöelementin avaimen muodossa, jonka toiminnon suorittaa yleensä tyristori tai tehotransistori. Lähtöpiiri sisältää aktiivi-induktiivisen kuorman Zn ja tarvittaessa tasoituskuristimen L f. Joskus käytetään kehittyneempiä anti-aliasing-suodattimia, kuten L-muotoinen LC-suodatin. VD 0 -diodi on suunniteltu luomaan piiri kuormitusvirran virtaukselle, kun K-painike on auki.

Tarkastellaan tällaisessa muuntimessa tapahtuvia prosesseja. Näppäimen t 1 -t 2, t 3 -t 4, t 5 -t 6 päälle kytkettynä jännite kytketään tasoitussuodattimen sisääntuloon U out = E, diodi VD 0 on suljettu. Virta i n kulkee kuorman läpi pitkin piiriä (+ E) -K- L f -Z n - (- E). Kytkimen off-tilan välein t 2 -t 3, t 4 -t 5 lähtöpiirin ja tehonsyötön välillä ei ole yhteyttä, vaan virta kuormituksen läpi jatkuu. Sitä tukee reaktiivisten elementtien - kuristimen L f ja kuormitusinduktanssin L n - keräämä energia ja se sulkeutuu VD 0:n kautta, jonka seurauksena U out = 0. Ottamatta huomioon kuristimen aktiivisten resistanssien L f ja johtolangan U n = U out jännitehäviöitä, se määräytyy U out (t) keskiarvon perusteella ja saadaan kaavoista 4.1 ja 4.2. Virta i n koostuu eksponentiaalien nousu- ja laskujaksoista aikavakiolla
... Keskimääräinen virta
.

Siirtyessä suuriin kuormitustehoihin (yli 100 kW) syntyy vaikeuksia muuntajien rakentamisessa tarkasteltavan kaavion mukaisesti. Ne johtuvat suurista virroista ja tarpeesta käyttää suurta määrää rinnakkain kytkettyjä tyristoreita. Lisäksi suuren induktanssin omaavan kuristimen suunnittelua on vaikea toteuttaa. Suuritehoinen PPTS suoritetaan monitahtiperiaatteella, joka perustuu T-erillisten muuntajien rinnakkaiskytkentään, jotka toimivat yhteiskuormalla yhteisestä tasavirtalähteestä.

Jännitteenmuunnin on laite, joka muuttaa piirin jännitettä. Se on elektroninen laite, jota käytetään muuttamaan laitteen syöttöjännitettä. Jännitteenmuuntimet voivat lisätä tai vähentää tulojännitettä, mukaan lukien alkuperäisen jännitteen suuruuden ja taajuuden muuttaminen.

Tämän laitteen käyttötarve syntyy pääasiassa tapauksissa, joissa on tarpeen käyttää mitä tahansa sähkölaitetta paikoissa, joissa on mahdotonta käyttää olemassa olevia standardeja tai virtalähdeominaisuuksia. Muuntimia voidaan käyttää erillisenä laitteena tai osana keskeytymätöntä virtalähdettä ja virtalähdettä. Niitä käytetään laajasti monilla teollisuuden aloilla, kotitalouksissa ja muilla teollisuudenaloilla.

Laite

Pulssijännitemuuntimia, joissa on induktiivinen energiavarasto, käytetään usein muuntamaan jännitetaso toiselle. Tämän mukaan tunnetaan kolmen tyyppisiä muuntajapiirejä:

• Käänteinen.
• Nostaminen.
• Alaspäin.

Tällaisille muuntimille on yhteistä viisi elementtiä:

• Avaimen vaihtoelementti.
• Virtalähde.
• Induktiivinen energian varastointi (kuristin, kela).
• Suodatinkondensaattori, joka on kytketty rinnan kuormitusvastuksen kanssa.
• Estodiodi.

Näiden viiden elementin sisällyttäminen erilaisiin yhdistelmiin mahdollistaa minkä tahansa lueteltujen pulssimuuntimien luomisen.

Muuntimen lähtöjännitetason säätö saadaan aikaan muuttamalla näppäinkytkinelementin toimintaa ohjaavien pulssien leveyttä. Lähtöjännitteen stabilointi saadaan aikaan takaisinkytkentämenetelmällä: lähtöjännitteen muutos saa aikaan automaattisen muutoksen pulssin leveyteen.

Tyypillinen jännitemuuntajan edustaja on myös muuntaja. Se muuntaa yhden arvon AC-jännitteen toisen arvon AC-jännitteeksi. Tätä muuntajan ominaisuutta käytetään laajalti elektroniikassa ja sähkötekniikassa.

Muuntajalaite sisältää seuraavat elementit:

• Magneettinen piiri.
• Ensiö- ja toisiokäämitys.
• Kehys käämeille.
• Eristys.
• Jäähdytysjärjestelmä.
• Muut elementit (pääsy käämiliittimiin, asennus, muuntajan suojaus jne.).

Jännite, jonka muuntaja tuottaa toisiokäämissä, riippuu ensiö- ja toisiokäämissä olevista kierroksista.

On muitakin jännitteenmuuntimia, joilla on erilainen rakenne. Niiden laite on useimmissa tapauksissa valmistettu puolijohdeelementeistä, koska ne tarjoavat merkittävän tehokkuuden.

Toimintaperiaate

Jännitteenmuunnin muodostaa vaaditun arvoisen syöttöjännitteen toisesta syöttöjännitteestä, esimerkiksi syöttääkseen virtaa tietyille laitteille akusta. Yksi muuntimen päävaatimuksista on varmistaa maksimaalinen hyötysuhde.

Vaihtojännitteen muunnos on helposti suoritettavissa muuntajan avulla, minkä seurauksena tällaisia ​​DC-jännitemuuntimia syntyy usein välitason DC-AC-muunnoksen perusteella.

• Tehokas vaihtojännitegeneraattori, joka saa virtansa jatkuvan jännitteen lähteestä, on kytketty muuntajan ensiökäämiin.
• Toisiokäämistä poistetaan vaaditun suuruinen vaihtojännite, joka sitten tasataan.
• Tarvittaessa tasasuuntaajan vakiolähtöjännite stabiloidaan stabilisaattorilla, joka sisältyy tasasuuntaajan lähtöön, tai ohjaamalla generaattorin tuottaman vaihtojännitteen parametreja.
• Korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi jännitemuuntimissa käytetään generaattoreita, jotka toimivat avaintilassa ja tuottavat jännitettä logiikkapiireillä.
• Generaattorin lähtötransistorit, jotka kytkevät jännitteen ensiökäämiin, siirtyvät suljetusta tilasta (transistorin läpi ei kulje virtaa) kyllästystilaan, jossa jännite putoaa transistorin yli.
• Suurjänniteteholähteiden jännitemuuntimissa käytetään useimmissa tapauksissa itseinduktio-emf:ää, joka luodaan induktanssille jyrkän virrankatkoksen yhteydessä. Transistori toimii virrankatkaisijana, ja porrasmuuntajan ensiökäämi toimii induktanssina. Lähtöjännite muodostetaan toisiokäämissä ja tasasuunnassa. Tällaiset piirit pystyvät tuottamaan useiden kymmenien kV jännitteitä. Niitä käytetään usein virtalähteenä katodisädeputkille, kuvaputkille ja niin edelleen. Samalla taataan yli 80 %:n hyötysuhde.

Näkymät

Muuntimet voidaan luokitella useilla tavoilla.

DC-jännitemuuntimet:

• Jännitteen säätimet.
• Jännitetason muuntimet.
• Lineaarinen jännitteensäädin.

AC-DC-muuntimet:

• Kytkentäjännitteen stabilisaattorit.
• Virtalähteet.
• Tasasuuntaajat.

DC-AC-muuntimet:

• Invertterit.

AC jännitemuuntimet:

• Taajuusmuuttajat.
• Taajuusmuuttajat ja jänniteaaltomuodot.
• Jännitteen säätimet.
• Jännitteenmuuntimet.
• Kaikenlaisia ​​muuntajia.

Elektroniikan jännitemuuntimet jaetaan suunnittelunsa mukaan myös seuraaviin tyyppeihin:

• Pietsosähköisissä muuntajissa.
• Automaattinen generointi.
• Pulssiheräteellä varustettu muuntaja.
• Hakkurivirtalähteet.
• Pulssimuuntimet.
• Multiplekserit.
• Kytketyillä kondensaattoreilla.
• Muuntajaton kondensaattori.

Erikoisuudet

• Koska tilavuuden ja painon rajoituksia ei ole, samoin kuin syöttöjännitteen korkea arvo, on järkevää käyttää muuntimia tyristoreissa.
• Tyristorien ja transistorien puolijohdemuuntimet voivat olla säädeltäviä ja säätelemättömiä. Tässä tapauksessa säädettäviä muuntimia voidaan käyttää AC- ja DC-jännitteen stabiloijina.
• Laitteen värähtelyjen herätemenetelmän mukaan voi olla piirejä, joissa on itsenäinen heräte ja itseherätys. Itsenäiset herätepiirit valmistetaan tehovahvistimesta ja pääoskillaattorista. Generaattorin lähdöstä tulevat pulssit ohjataan tehovahvistimen tuloon, jolloin sitä voidaan ohjata. Itsevirittyvät piirit ovat impulssioskillaattorit.

Sovellus

• Sähköenergian jakeluun ja siirtoon. Voimalaitoksissa vaihtovirtageneraattorit tuottavat tyypillisesti 6-24 kV tehoa. Tehonsiirrossa pitkiä matkoja on hyödyllistä käyttää suurempaa jännitettä. Tämän seurauksena jokaiseen voimalaitokseen asennetaan muuntajia, jotka nostavat jännitettä.
• Erilaisiin teknologisiin tarkoituksiin: sähkölämpölaitteistot (sähköuunimuuntajat), hitsaus (hitsausmuuntajat) ja niin edelleen.
• Erilaisten piirien syöttämiseen;

- telemekaniikan automaatio, viestintälaitteet, sähkölaitteet;
- radio- ja televisiolaitteet.

Näiden laitteiden sähköpiirien erottamiseen, mukaan lukien jännitteensovitus ja niin edelleen. Näissä laitteissa käytetyillä muuntajilla on useimmiten pieni teho ja pieni jännite.

• Lähes kaiken tyyppisiä jännitemuuntimia käytetään laajalti jokapäiväisessä elämässä. Monien kodinkoneiden, monimutkaisten elektronisten laitteiden ja invertteriyksiköiden virtalähteitä käytetään laajalti tarvittavan jännitteen tuottamiseen ja itsenäisen virtalähteen tarjoamiseen. Se voi olla esimerkiksi invertteri, jota voidaan käyttää hätä- tai varavirtalähteenä kodinkoneille (TV, sähkötyökalut, keittiökoneet ja niin edelleen), jotka kuluttavat 220 voltin vaihtovirtaa.
• Kalleimmat ja suosituimmat lääketieteessä, energiassa, armeijassa, tieteessä ja teollisuudessa ovat muuntimet, joiden lähtöjännite on puhtaasti sinimuotoinen. Tämä lomake soveltuu sellaisten laitteiden ja laitteiden käyttöön, joilla on lisääntynyt herkkyys signaalille. Näitä ovat mittaus- ja lääketieteelliset laitteet, sähköpumput, kaasukattilat ja jääkaapit, eli sähkömoottorit sisältävät laitteet. Muuntimia tarvitaan usein myös laitteiden käyttöiän pidentämiseksi.

Hyödyt ja haitat

Jännitemuuntajien etuja ovat:

• Tulo- ja lähtövirtatilan ohjauksen varmistaminen. Nämä laitteet muuntavat vaihtovirran tasavirraksi, toimivat tasajännitteen jakajina ja muuntajina. Siksi niitä löytyy usein tuotannosta ja jokapäiväisestä elämästä.
• Useimpien nykyaikaisten jännitemuuntajien suunnittelussa on kyky vaihtaa eri tulo- ja lähtöjännitteiden välillä, mukaan lukien lähtöjännitteen säätö. Tämän avulla voit valita jännitemuuntimen tietylle laitteelle tai kytketylle kuormalle.
• Kotitalouksien jännitteenmuuntimien, esimerkiksi automuuntimien, kompakti ja keveys. Ne ovat pieniä eivätkä vie paljon tilaa.
• Kannattavuus. Jännitteenmuuntajien hyötysuhde saavuttaa 90 %, mikä säästää merkittävästi energiaa.
• Mukavuus ja monipuolisuus. Muuntimien avulla voit nopeasti ja helposti kytkeä minkä tahansa sähkölaitteen.
• Kyky siirtää sähköä pitkiä matkoja lisääntyneen jännitteen ja niin edelleen vuoksi.
• Kriittisten solmujen luotettavan toiminnan varmistaminen: turvajärjestelmät, valaistus, pumput, lämmityskattilat, tiede- ja sotilaslaitteet ja niin edelleen.

Jännitteenmuuntajien haittoja ovat:

• Jännitteenmuuntajien herkkyys korkealle kosteudelle (paitsi muuntajat, jotka on erityisesti suunniteltu käytettäväksi vesiliikenteessä).
• Ne vievät jonkin verran tilaa.
• Suhteellisen korkea hinta.

Usein radioamatöörikäytännössä on tarpeen hankkia erilaisia ​​stabiloituja jännitteitä laitteille. Useimmiten näihin tarkoituksiin ovat:

• parametriset stabilisaattorit(perustuu zener-diodiin laitteen alhaisella virrankulutuksella);

• lineaariset stabilisaattorit transistoripohjaisesti tai stabilisaattoreihin LM78XX, LM317 perustuen. Tällaisten stabilointilaitteiden nykyinen kapasiteetti on rajoitettu 1,5 ampeeriin. Lisäksi toinen näiden stabilaattoreiden käyttöaluetta rajoittava tekijä on tulojännitteen muuntaminen lähtöjännitteeksi vapauttamalla suuri määrä lämpöä, eli jos tulojännite on 20 volttia, ja stabilisaattori, jossa on Lähtöjännite on 9 volttia, jolloin ylimääräinen 11 voltti muuttuu lämmöksi... Samalla IC-kotelo lämpenee riittävän korkeisiin lämpötiloihin ja sen poistamiseen tarvitaan jäähdytin, lämpötahna sekä suurilla kuormitusvirroilla tuulettimen pakkojäähdytys, joka vaatii myös tehoa;

• pulssin stabilaattorit... Nämä stabilisaattorit muuttavat vakiotulojännitteen pulssivärähtelyiksi ja niiden myöhemmän stabiloinnin. Yksi tämän stabilointialan edustajista on LM2596 IC. Itse asiassa se on pulssimuunnin, jolla on suuri määrä toimintatiloja. Koska IC:n sisämaailmassa ei ole lineaarisia prosesseja, kotelon lämpöhäviöt ovat minimaaliset. Mikropiirin liittäminen vaatii vähimmäismäärän liitteitä vaadituista tavoitteista riippuen. Tyypillinen sisällytys on esitetty kuvassa.

Menestynein ratkaisu radioamatööreille ja käsityöläisille on tämän mikropiirin suorituskyky säädettävässä versiossa - LM2596ADJ. Datalehti on katsottavissa täältä.

Mikropiiriin perustuen Kiinan kansanteollisuus tuottaa laajan valikoiman valmiita dc-dc-muunninmoduuleja, sekä buck- että boost-moduuleja. Yksi niistä on tämä dc-dc-asennusmoduuli.

Tuotteella on seuraavat ominaisuudet:

• tulojännite: 4V ~ 35V
• lähtöjännite: 1.23V ~ 30V
• lähtövirta: 2A (nimellinen), 3A (maks. jäähdytyselementillä)
• muunnostehokkuus: 92 %
• lähtö ripple:< 30 мВ
• muunnostaajuus: 150 kHz
• käyttölämpötila-alue: -45 ~ + 80 С (erittäin ehdolliset indikaattorit)
• moduulin koko: 43 * 21 * 14 mm.

Ainoa asia, joka vaaditaan ennen käytön aloittamista, on asettaa vaadittu lähtöjännite kuormittamattomana ja tarkistaa se kuormitettuna.

On huomioitava, että tulojännitteen on oltava vähintään 1,5 V korkeampi kuin lähtöjännitteen. Tarvittaessa asentamalla patterin mikropiiriin ja käyttämällä pakotettua jäähdytystä, voit saavuttaa 4,5 ampeerin lähtövirran. Tämä toimintatapa on kuitenkin äärimmäinen ja moduulin alhaisten kustannusten vuoksi on parempi käyttää useita niitä rinnakkaisliitännällä. Kuten LM78XX:n tapauksessa, näiden moduulien pohjalta voidaan rakentaa kaksinapaisia ​​virtalähteitä.

Tätä varten sinun tulee asentaa valvottuja alennusmoduuleja tuloon (C1, C2) tulevan kondensaattorin, stabilaattorin LM7805 (jne.), kondensaattoreiden sijaan lähtöön. Yllä olevien ominaisuuksien lisäksi moduulissa on oikosulkusuojaus ja lämpötilasuoja. Kun mikropiiri saavuttaa 125 celsiusasteen lämpötilan, IC:n toiminta pysähtyy ja jatkuu vasta sen alenemisen jälkeen. Näin ollen IC-moduulin poistaminen käytöstä on erittäin, hyvin vaikeaa.

Käytän käytännössä näitä moduuleja litiumakkulaturien (yhdessä latausohjaimen kanssa), radiovastaanottimien, mp3-soittimien, voimakkaiden LEDien, joissa on resistiivinen virtarajoitus. Lyhyesti sanottuna moduulin laajuus on melko laaja.

Vertailun vuoksi syötin ensin radiovastaanottimeen virran LM7809-pohjaisesta stabilisaattorista muuntajan verkkotasasuuntaajalla, minkä jälkeen vaihdoin LM7809:n piirin tällä moduulilla. Tämän seurauksena matalataajuinen tausta katosi kaiuttimesta. Valitettavasti moduulien valmistaja ei asentanut sisääntuloon suojadiodia, joka estää piirin katkeamisen tehon napaisuuden vaihdon seurauksena, mutta tämä voidaan tehdä itse. Erityisesti sivustolle - Nikolay Kondratyev, Donetsk

Keskustele artikkelista MUUNTOJEN VÄHENTÄMINEN

Kytkentäjännitemuuntajia on kaksi luokkaa:
Muuntajan kanssa
Akkumuloivalla kuristimella
Minkä tahansa näistä kahdesta luokasta oleva muunnin voi olla sekä alas- että ylöspäin, tallennuskuristimella varustetuissa laitteissa se riippuu kytkentäpiiristä, laitteissa, joissa on muuntaja muunnossuhteesta.

Kytkentäjännitemuuntimet varastokuristimella

Tällaisten piirien lähtö on aina joko vakio- tai aaltoilujännite.
Et voi saada vaihtojännitettä niiden lähtöön.

Signaali, joka on syötettävä pisteeseen A1 suhteessa yhteiseen johtoon:

Kuinka muuntajien vaihtaminen tallennuskuristimella toimii?

Tarkastellaan esimerkkiä tehostusmuuntimesta.
Varastointikuristin L1 on kytketty niin, että kun transistori T1 avataan, virta lähteestä "+ PIT" alkaa virrata niiden läpi, kun taas kuristimen virta ei kasva välittömästi, koska energiaa varastoidaan magneettikenttään. tukehtua.
Transistorin T1 sulkeutumisen jälkeen kuristimeen varastoitunut energia on vapautettava, tämä seuraa kuristimessa tapahtuvien ilmiöiden fysiikasta, että tämän energian ainoa polku kulkee lähteen + PIT:n, diodin VD1 ja kytketyn kuorman kautta. OUTPUTiin.
Tässä tapauksessa suurin lähtöjännite riippuu vain yhdestä asiasta - kuormitusvastuksesta.
Jos meillä on ihanteellinen kuristin ja jos kuormaa ei ole, lähtöjännite on äärettömän suuri, mutta kyseessä on kuristin, joka on kaukana ihanteellisesta, joten ilman kuormaa jännite on yksinkertaisesti erittäin suuri, mahdollisesti niin suuri, että OUTPUT-liittimen ja yhteisen johtimen välillä tapahtuu ilman tai eristeen hajoaminen, vaan pikemminkin transistorin rikkoutuminen.

Jos kuristin haluaa vapauttaa kaiken kertyneen energian (miinus häviöt), kuinka säädellä jännitettä tällaisten muuntimien lähdössä?
Se on hyvin yksinkertaista - varastoida kelaan täsmälleen niin paljon energiaa kuin on tarpeen vaaditun jännitteen luomiseksi tunnetulla kuormitusresistanssilla.
Varastoitua energiaa säädetään transistorin avaavien pulssien kestolla (aika, jonka transistori on auki).

Kuristimen porrasmuuntimessa tapahtuu täsmälleen samat prosessit, mutta tässä tapauksessa, kun transistori avataan, kuristin ei anna lähtöjännitteen nousta välittömästi, ja sen sulkemisen jälkeen vapautuu varastoitu energia toiselta puolelta diodin VD1 kautta ja toiselta OUTPUT-liittimeen kytketyn kuorman kautta tukee jännite OUTPUT-liittimessä.
Jännite tällaisen muuntimen lähdössä ei voi olla suurempi kuin + PIT jännite.

Kytkentäjännitemuuntimet muuntajilla

Itse muunnos tapahtuu muuntajassa, kun taas sillä ei ole merkitystä raudassa - matalilla taajuuksilla; tai ferriitillä - korkeille taajuuksille 1 kHz - 500 kHz ja yli.
Prosessien olemus on aina sama: jos muuntajan ensimmäisessä käämissä on 10 kierrosta ja toisessa 20 ja käytämme 10 voltin vaihtojännitettä ensimmäiseen, niin toisessa saamme vaihtojännitteen. saman taajuuden mutta 20 voltin jännite ja vastaavasti 2 kertaa pienemmällä virralla kuin se virtaa ensimmäiseen käämiin.

Toisin sanoen tehtävänä on saada vaihtojännite, joka on syötettävä ensiökäämiin, muuntajaa syöttävästä tasavirtalähteestä.

Se toimii näin:
kun transistori T1 on auki, virta kulkee käämin yläosan läpi - L1.1, sitten transistori T1 sulkeutuu ja transistori T2 avautuu, virta alkaa virrata käämin alemman puoliskon läpi - L1.2, koska käämin L1 yläpuoli on kytketty päästään + PIT alempaan alkuun, niin muuntajan sydämessä oleva magneettikenttä virtaa T1:n avautuessa yhteen suuntaan ja kun T2 avautuu, toiseen suuntaan. , toisiokäämiin L2 luodaan vaihtojännite.
L1.1 ja L1.1 tehdään mahdollisimman identtisiksi toistensa kanssa.
Edut:
Korkea hyötysuhde käytettäessä matalalla syöttöjännitteellä (vain puolet tarvittavasta virrasta kulkee kummankin käämin puolikkaan ja transistorin läpi).
Haitat:
Jännitehuiput transistorien nieluissa, jotka ovat yhtä suuret kuin kaksinkertainen syöttöjännite (esimerkiksi kun T1 on auki ja T2 on kiinni, virta kulkee L1.1:een, puolestaan ​​L1.2:een, magneettikenttä muodostaa jännitteen, joka on yhtä suuri kuin L1.1:n jännite, joka summattuna virtalähteen jännitteeseen vaikuttaa suljettuun T2).
Eli on tarpeen valita transistorit korkeammalle sallitulle maksimijännitteelle.
Sovellus:
Pienjännitteellä (noin 12 volttia) toimivat muuntimet.

Se toimii näin:
kun transistori T1 on auki, virta kulkee muuntajan (L1) ensiökäämin läpi varaamassa kondensaattoria C2, sitten se sulkeutuu ja avautuu vastaavasti T2, nyt virta kulkee L1:n läpi vastakkaiseen suuntaan, purkaen C2:n ja varaamalla C1:n .
Haitat:
Muuntajan ensiökäämiin syötetty jännite on kaksi kertaa pienempi kuin + PIT -jännite.
Edut:
Sovellus:
Kodin valaistusverkosta saatavat muuntimet, verkkovirtalähteet (esim. tietokoneiden virtalähteet).

Se toimii näin:
kun transistorit T1 ja T4 ovat auki, virta kulkee muuntajan ensiökäämin läpi yhteen suuntaan, sitten ne sulkeutuvat ja avautuvat T2 ja T3, ensiökäämin läpi kulkeva virta alkaa virrata vastakkaiseen suuntaan.
Haitat:
Tarve asentaa neljä tehokasta transistoria.
Kaksinkertaistaa jännitehäviö transistoreissa (viereisten T1-T4 / T2-T3 transistoreiden jännitehäviöt lisätään).
Edut:
Täysi syöttöjännite ensiökäämissä.
Push-poolille tyypillisten kaksinkertaisten jännitepiikkien puute.
Sovellus:
Tehokkaat muuntajat, jotka saavat virtansa kodin valaistusverkosta, verkkovirtalähteet (esim. pulssihitsaus "muuntajat").

Muuntajien muuntimien yleisiä ongelmia ovat samat ongelmat kuin varastokuristimiin perustuvissa muuntimissa: sydämen kyllästyminen; sen langan vastus, josta käämit on valmistettu; transistorien toiminta lineaarisessa tilassa.

Flyback- ja forward-pulssinmuuntimet

Flyback- ja myötäpulssijännitemuuntimet ovat "hybridejä" varastokuristimeen ja muuntajaan perustuvasta muuntimesta, vaikka pohjimmiltaan se on varastokuristimeen perustuva muuntaja, jota ei pidä koskaan unohtaa.
Tällaisen muuntimen toimintaperiaate on samanlainen kuin varastokuristimen askelmuunnin, sillä ainoalla erolla, että kuorma ei ole kytketty suoraan kuristimeen, vaan toiseen käämiin, joka on kierretty itse kuristimen ympärille.
Kuten tehostinmuuntimenkin, jos se kytketään päälle ilman kuormaa, sen lähtöjännite pyrkii maksimissaan.
Haitat:
Jännitehuiput avaintransistorin yli, mikä luo tarpeen käyttää avaintransistoreja jännitteelle, joka ylittää merkittävästi + PIT:n.
Korkea jännite lähdössä ilman kuormitusta.
Edut:
Virtalähdepiirin ja kuormituspiirin galvaaninen eristys.
Ei häviöitä, jotka liittyvät sydämen magnetoinnin kääntämiseen (magneettikenttä virtaa ytimessä aina yhteen suuntaan).

Jännitteenmuuntimia (ja yleensä pulssilaitteita) suunniteltaessa huomioon otettavat ilmiöt

Ytimen kyllästyminen (magneettinen piiri)- hetki, jolloin kuristimen tai muuntajan sydämen magneettisesti johtava materiaali on jo niin magnetisoitunut, ettei se enää vaikuta kuristimessa tai muuntajassa tapahtuviin prosesseihin. Kun sydän on kyllästetty, siinä olevien käämien induktanssi putoaa nopeasti ja ensiökäämien läpi kulkeva virta alkaa kasvaa, kun taas maksimivirtaa rajoittaa vain käämilangan vastus, ja se valitaan niin pieneksi kuin mahdollinen kyllästyminen johtaa ainakin induktorin ja tehotransistorin lämpenemiseen ja käämiin, maksimissaan tehotransistorin tuhoutumiseen.

Johdon käämityksen vastus- tuo prosessiin häviöitä, koska se estää energian varastoinnin ja vapautumisen magneettikentässä, aiheuttaa induktorin käämilangan kuumenemisen.
Ratkaisu: käytä lankaa, jonka resistanssi on minimaalinen (paksumpi lanka, matalaresistanssista materiaalia oleva lanka).

Tehotransistorien toiminta lineaarisessa tilassa- jos transistorien ohjaamiseen käytettävä signaaligeneraattori ei anna suorakaiteen muotoisia pulsseja, vaan pulsseja, joissa jännite nousee ja laskee hitaasti, mikä voi olla, jos tehotransistorien hilakapasiteetti on suuri, ja ohjain (erikoisvahvistin) ​ei pysty syöttämään merkittävää virtaa tämän kapasiteetin lataamiseksi, on hetkiä, jolloin transistori on lineaarisessa tilassa, eli sillä on tietty resistanssi, joka on muu kuin nolla ja äärettömän suuri, ja siksi sen läpi kulkee virta ja lämmittää vapautuu siihen, mikä huonontaa muuntimen tehokkuutta.

Muuntajaa käyttävien jännitemuuntajien erityisongelmat

Nämä ongelmat ovat kuitenkin luontaisia ​​kaikille laitteille, joissa on tehokas push-pull-lähtöaste.

Virran kautta
Harkitse puolisiltapiiriä esimerkkinä - jos jostain syystä transistori T2 avautuu ennen kuin T1 on täysin sulkeutunut, niin + PIT:stä tulee yhteiseen johtimeen läpivirtaus, joka kulkee molempien transistorien läpi, mikä johtaa turhaan lämpöön. sukupolvi heillä.
Ratkaisu: luodaan viive tulon G1 potentiaalin putoamisen nollaan (katso puolisiltakaavio) ja tulon G2 potentiaalin lisääntymisen välille.
Tätä viiveaikaa kutsutaan kuolleeksi ajaksi ja se voidaan havainnollistaa graafisesti oskilogrammilla:

Millerin efekti
Harkitse jälleen esimerkkiä puolisillasta - kun transistori T1 avautuu, transistoriin T2 syötetään jännite, joka kasvaa nopeasti (T1:n avautumisnopeudella), koska tämä jännite on korkea, silloin jopa pieni sisäinen portin ja lähteen välinen kapasitanssi latauksen aikana luo merkittävän potentiaalin portille, joka avaa T2:n, vaikkakin lyhyeksi ajaksi, mutta luo läpivirtauksen jopa kuolleen ajan ollessa läsnä.
Ratkaisu: tehokkaiden transistoriohjaimien käyttö, jotka pystyvät paitsi antamaan, myös vastaanottamaan suuria virtoja.

Muistettavaa

Buck-muunnin varastokuristimella, puolisilta ja silta ovat piirejä, jotka eivät ole niin yksinkertaisia ​​kuin miltä ensi silmäyksellä näyttävät, pääasiassa siksi, että buck-muuntimen transistorin lähde ja sillan ylempien transistorien lähteet ja puolisilta ovat jännitteisiä.
Kuten tiedämme, ohjausjännite transistorin hilaan on syötettävä suhteessa sen lähteeseen, bipolaarisen osalta kantaan suhteessa emitteriin.
Ratkaisut:
Galvaanisesti eristettyjen virtalähteiden käyttö porttipiireihin (kantoihin):

Generaattori G1 generoi vastavaihesignaaleja ja muodostaa kuollutta aikaa, kenttätransistorien U1- ja U2-ajurit, optoerotin irrottaa galvaanisesti ylemmän ohjaimen tulopiirin generaattorin lähdöstä, joka saa virtaa muuntajan toisesta käämityksestä.

Tyypillinen tällaisen piirin teho-osa on esitetty kuvassa 10.

Kuva 10.

Kondensaattori ladataan noin 310 V:iin (340 V 240 V:iin) 220 V AC teholla. Vastus R1 on matalaimpedanssinen vastus (nimellisvastus 2-4 ohmia), joka suojaa piiriä virtapiikkeiltä, ​​kun kondensaattoria C1 ladataan virran kytkemisen aikana. Q1 on suurjännite-MOSFET, jota käytetään suurnopeuskytkimenä, joka kytkee syöttövirtapulssin suurtaajuisessa ferriittimuuntajassa T1. Kytkentätaajuus on yleensä välillä 25 - 250 kHz. Elementit R2 ja C2 muodostavat vaimennuksen, joka vähentää jännitepiikkejä ja kytkinkohinaa. Stabilointi saavutetaan ohjaamalla lähtöjännitettä "FB"-pisteessä ja säätämällä Q1-näppäinohjaimen tulopulssien leveyttä. FS2-sulake tarvitaan oikosulkusuojaukseen ja ylikuormitussuojaukseen. FS2 korvataan joskus virta-anturilla, joka lukitsee Q1-avainohjaimen ylikuormitettuna.

4 pulssimuunninta

Säädetyssä lineaarisessa teholähteessä eristykseen käytetään tehotaajuustehomuuntajaa ja sitten tasasuuntaajaa ja lineaarisäädintä tuottamaan lähtöjännite.

Ohjatussa SMPS:ssä eristys ja säätö yhdistetään yhdeksi yksiköksi erittäin tehokkaasti. SMPS käyttää pientä suurtaajuusmuuntajaa, joka toimii tyypillisesti taajuusalueella 25-250 kHz (vaikka pienitehoiset SMPS:t ovat jopa 1 MHz).

SMPS:ssä käytetyissä muuntajissa ja kuristimissa on ferriittisydämet, toisin kuin matalataajuisten vastineidensa. SMPS-muuntajien käämissä on yleensä vähemmän kierroksia kuin tehotaajuusmuuntajissa.

4.1 Yksipäinen jännitemuunnin

Yksipäisessä jännitemuuntimessa on muuntaja, jonka ensiökäämi koostuu kahdesta osasta kierrosluvuilla w1 ja w2, joista ensimmäinen transistori on kytketty ohjausyksikköön ja toinen transistori käänteisen diodin shunttina. Transistorien emitterien väliin on kytketty kondensaattori. Ensimmäisen ja toisen transistorin kollektorit on kytketty muuntajan käämien ääripäätteisiin. Lisäksi ensimmäisen transistorin kollektori on kytketty toisen transistorin ohjaustuloon sarjaan kuuluvalla RC-piirillä shuntoidun vastuksen kautta muodostaen virransäätöpiirin.

Mitä tahansa muita avainelementtejä, esimerkiksi MOS-transistoreita jne., voidaan käyttää ensimmäisenä ja toisena transistorina tässä muuntimessa.

Yksipäinen DC-jännitemuunnin toimii seuraavasti.

Kun avaussignaali saapuu transistorin kannalle, jälkimmäinen avautuu, muuntajan käämiin syötetään tulojännite. Tässä tapauksessa transistorin ohjausliittimeen syötetään estojännite, joka on käytännössä sama kuin kondensaattorin jännite, ja se lukitaan. Muuntajan sydämen magnetointivirtojen ja kuorman summa virtaa toisen transistorin läpi. Ohjauspulssin lopussa transistori sammutetaan, magnetointivirta suljetaan diodin, kondensaattorin ja käämin kautta. Toisen transistorin ohjauselektrodille syötetään lukituksen avausjännite, joka on yhtä suuri kuin ensimmäisen transistorin kollektorijännitteen ja kondensaattorin jännitteen välinen erotus. Toinen transistori käynnistyy, jolloin magnetointivirta voi virrata vastakkaiseen suuntaan.

Kondensaattorin ansiosta magnetointivirta kulkee jatkuvasti koko pulssin toistojakson ajan ohjausyksiköstä ja tämän virran keskiarvo on nolla. Tämä johtaa siihen, että demagnetoiva jännite kohdistetaan käämiin koko ensimmäisen transistorin suljetun tilan ajan ja muuntajan sydämen magnetoinnin käännös suoritetaan täydessä jaksossa magnetointivirran pienellä amplitudilla. .

Siten ehdotetussa laitteessa lisänäppäimen ohjauspiiriin sisältyvän vastuksen tehohäviöitä pienennetään vähentämällä sen yli olevaa jännitettä.

4.2 Pulssi yksipäinen DC-jännitemuunnin . Muunnin.

Pulssi-DC-jännitemuuntimet (DCP) säätelevät lähtöjännitettä (jännite kuorman yli) muuttamalla aikaa, jolloin jännite Uo kohdistetaan kuormaan Zн. Useimmiten käytetään pulssinleveyden (WIR) ja pulssin taajuuden (CHIR) ohjausmenetelmiä. IPPN:n toimintaperiaate perustuu transistorin tai tyristorin avainmoodiin, jotka katkaisevat ajoittain piirin jännitteen U0 syöttämiseksi kuormaan (kuva 11). Pulssinleveysmenetelmällä lähtöjännitettä säädetään muuttamalla lähtöpulssien ti kestoa (kuva 12) niiden jatkuvalla toistojaksolla T. Tällöin muuntimen lähtöjännitteen keskiarvo määräytyy kaava Un.av = (ti / T) * Uо. Tästä syystä lähtöjännitettä säädetään nollasta (pisteessä ti = 0) arvoon Uо (ti = T).

Kuva 11.

Kuva 12.

Kuvassa 13 on kaavio laajalle levinneestä IPPI... Tällaista muuntajaa kutsutaan yksipäiseksi. Tyristori toimii avaimena. Kuormien välissä Z ja tyristori sisältää LC-tasoitussuodattimen.

Kuva 13.

Diodi D, joka suorittaa käänteisen diodin toimintoja, on välttämätön sähköpiirin luomiseksi kuormitusvirralle, kun tyristori on pois päältä.

Yksitahti IPPN toimii 100 kW:n teholla. Jos tarvitaan enemmän tehoa, he turvautuvat monijaksoisiin sukupuolitautiin.

Kaikissa IPPN-verkoissa johdotuskytkimet avataan pakottamalla kytkentäpulsseja tyristoriin (transistoriin), kun taas tyristorit lukitaan ajoittain ladatun kondensaattorin jännitteellä. Luonnollisesti IPPN:n kytkentäyksiköllä on jonkin verran eroa vastaavista autonomisten invertterien yksiköistä.

Huomaa, että kuorman tasaisen jännitteen säätö, kun se saa virran vaihtovirtaverkosta, voidaan suorittaa IPPN:n avulla. Pieni jännitehäviö avoimen puolijohdekytkimen yli ja erittäin alhainen virta sen ollessa lukittuna määräävät DC-jännitepulssimuuntimien korkean hyötysuhteen. Tässä suhteessa ohjaamaton tasasuuntaaja, joka on yhdistetty IPPC:hen, kilpailee menestyksekkäästi ohjatun tasasuuntaajan kanssa.

Tasajännitepulssimuuntimien etuna itseherätysmuuntimiin verrattuna on, että IPPN:ssä kytkiminä käytetään tyristoreita, joita valmistetaan tällä hetkellä useiden kilovolttien jännitteille. Näin voit luoda suuritehoisia (yli 100 kW) muuntajia, joilla on korkea hyötysuhde, pienemmät mitat ja paino. Muuntimia käytetään laajalti asennuksissa, joissa ensisijainen virtalähde on kontaktiverkko, akut, aurinko- ja atomiparistot, lämpösähköiset generaattorit.

5. Päätelmät

5.1 SMPS:n aiheuttamat sähkömagneettiset ja radiohäiriöt

Hakkurivirtalähteiden tiedetään aiheuttavan sähkömagneettisia ja radiohäiriöitä. Johtojohtojen alipäästösuodattimet ovat elintärkeitä linjan poiminnan vähentämiseksi. Faraday-suojaus muuntajan käämien välissä ja herkkien komponenttien ympärillä yhdessä oikean asennon kanssa kentänkompensointipiirilohkossa vähentää myös EMI:tä ja RFI:tä. Sahanhammasvirran tasoitusongelma vaatii suodatinkondensaattorin käyttöä. Vainduktanssi ja resistanssi (sarjassa) vaikuttavat lähtösignaalien aaltoilu- ja jännitekohinaan. Lineaariset virtalähteet ovat vertaansa vailla alhaisen tehon ja erittäin alhaisen melutason sekä alhaisen ulostulon aaltoilun ansiosta.

5.2 Integroidut piirit SMPS:lle

Mullard:

TDA2640

TDA2581

SGS:

L4960

Tulojännitealue - 9 - 50 VDC

Säädettävä lähtöjännite - 5 - 40 V

Suurin lähtövirta - 2,5 A

Suurin lähtöteho - 100 W

Sisäänrakennettu pehmeä käynnistyspiiri

Sisäinen vertailustabiilius - + \ - 4 %

Vaatii hyvin vähän lisäkomponentteja

Täyttökerroin - 0 - 1

Korkea hyötysuhde - yli 90 %

Sisäänrakennettu ylikuormitussuoja: mikropiiri kytkeytyy pois päältä, kun pn-liitoksen lämpötila saavuttaa 150 astetta. C.

Sisäänrakennettu virranrajoitin oikosulkusuojaukseen

L4962 (16-nastainen DIP-paketti. Lähtövirta jopa 1,5 A)

L4964 (15-nastainen erikoiskotelo. Lähtövirta jopa 4 A)

Texas Instruments:

TL494

TL497

TL497:ssä on kiinteä on-time-generaattori, jolla on muuttuva lähtötaajuus. Tämä johtaa vähimmäismäärään liitteitä. Päällekytkentäaika määräytyy nastan 3 ja maan väliin kytketyn kondensaattorin kapasitanssin arvon mukaan.

Kuva 14.

5.3 SMPS:n toistuvan päällekytkennän tila

Hakkuriteholähteissä tätä tilaa käytetään usein lähtövirran rajoittamiseen. Jos SMPS on ylikuormitettu, piiri sammuu. Jonkin ajan kuluttua se kytkeytyy päälle, jos ylikuormitus on edelleen olemassa, se sammuu välittömästi. Joissakin malleissa, jos tämä tapahtuu useita kertoja, virta katkaistaan, kunnes piirin lukitus poistetaan.

5.4 SMPS tehotuella

Jotkut "erillisemmät" SMPS:t on suunniteltu ylläpitämään tasaista lähtöjännitettä useamman kuin muutaman ajanjakson ajan, kun syöttöteho poistetaan. Tämä voidaan saavuttaa asentamalla suuri tulokondensaattori siten, että sen jännite ei laske merkittävästi sähkökatkojen aikana. Ajanjaksoa, jonka SMPS ylläpitää lähtöjännitettä, kun tulojännitettä ei ole, kutsutaan usein "pitoajaksi".

6 Kirjallisuus

1. INTERNET:

SGS-virtalähteen käyttöopas

Motorola Power MOSFET -transistoritietokirja

Unitrode Semiconductor Databook

Unitrode-sovellusten käsikirja

Transformer Core Selection for SMPS, Mullard

Pehmeät ferriitit - Ominaisuudet ja sovellukset, E.C. Snelling

Switchmode - Suunnittelijan opas, Motorola

SMPS-tekniikka ja komponentit, Siemens

Texas Instruments Linear Circuits Databook

Analogue Electronics Handbook, T.H. Collins

Smith, K.L. Ph.D. (Kentin yliopisto), "D.C. Supplies from A.C. Sources", Electronics & Wireless World, syyskuu 1984.

Ivanov V.S., Panfilov D.I. MOTOROLAn tehoelektroniikkakomponentit. - M .: DODEKA, 1998

Power Semiconductors International Rectifier. Per. p / r V. V. Tokarev. - Voronež, 1995

Hakkuriteholähteiden mikropiirit ja niiden käyttö. Ed. 2. - M .: DODEKA, 2000

Polikarpov A.G., Sergienko E.F. Yksipäiset jännitteenmuuntimet tehonsyöttölaitteissa CEA. - M .: Radio ja viestintä, 1989

Polikarpov A.G., Sergienko E.F. Kytkentäsäätimet ja DC-jännitemuuntimet. - M .: MEI:n kustantamo, 1998

DC/DC-muuntimia käytetään laajasti erilaisten elektronisten laitteiden tehonlähteenä. Niitä käytetään tietokoneissa, viestintälaitteissa, erilaisissa ohjaus- ja automaatiojärjestelmissä jne.

Muuntajan virtalähteet

Perinteisissä muuntajateholähteissä syöttöverkon jännite muuntajan avulla muunnetaan, useimmiten pienennetään, haluttuun arvoon. Alijännite tasataan diodisillalla ja tasoitetaan kondensaattorisuodattimella. Tarvittaessa tasasuuntaajan jälkeen asennetaan puolijohdestabilisaattori.

Muuntajien teholähteet on yleensä varustettu lineaarisilla stabilaattoreilla. Tällaisilla stabilointiaineilla on ainakin kaksi etua: ne ovat edullisia ja merkityksetön määrä osia vanteissa. Mutta alhainen hyötysuhde syö nämä edut, koska merkittävä osa tulojännitteestä käytetään säätötransistorin lämmittämiseen, mikä on täysin mahdotonta hyväksyä kannettavien elektronisten laitteiden virtalähteenä.

DC/DC-muuntimet

Jos laite saa virtaa galvaanisista kennoista tai akuista, jännitteen muuntaminen vaaditulle tasolle on mahdollista vain DC / DC-muuntimien avulla.

Idea on melko yksinkertainen: tasajännite muunnetaan vaihtojännitteeksi, yleensä useiden kymmenien tai jopa satojen kilohertsien taajuudella, kasvaa (vähenee) ja sitten tasasuuntautuu ja syötetään kuormaan. Tällaisia ​​muuntimia kutsutaan usein pulssimuuntimiksi.

Esimerkki on boost-muunnin 1,5 V:sta 5 V:iin, vain tietokoneen USB:n lähtöjännite. Samanlainen pienitehoinen muunnin myydään Aliexpressissä - http://ali.pub/m5isn.

Riisi. 1. Muunnin 1,5V / 5V

Pulssimuuntimet ovat hyviä, koska niillä on korkea hyötysuhde, 60...90%. Toinen kytkentämuuntimien etu on laaja tulojännitteiden valikoima: tulojännite voi olla lähtöjännitettä pienempi tai paljon suurempi. Yleensä DC/DC-muuntimet voidaan jakaa useisiin ryhmiin.

Muuntimien luokitus

Alaspäin, englanninkielisessä terminologiassa step down tai buck

Näiden muuntimien lähtöjännite on pääsääntöisesti alhaisempi kuin syöttöjännite: ilman erityisiä häviöitä säätötransistorin lämmittämiseksi voidaan saada vain muutaman voltin jännite tulojännitteellä 12 ... 50 V. Tällaisten muuntimien lähtövirta riippuu kuorman tarpeesta, joka puolestaan ​​määrää muuntimen piirin.

Toinen englanninkielinen nimi untuvamuuntimelle on chopper. Yksi tämän sanan käännösvaihtoehdoista on keskeytys. Teknisessä kirjallisuudessa buck-muunninta kutsutaan joskus "chopperiksi". Muistetaanpa tämä termi toistaiseksi.

Kasvava, englanninkielisessä terminologiassa step-up tai boost

Näiden muuntimien lähtöjännite on suurempi kuin tulojännite. Esimerkiksi 5V tulojännitteellä voidaan saada jopa 30V jännite ulostuloon, ja lisäksi sen tasainen säätö ja stabilointi on mahdollista. Melko usein tehostusmuuntimia kutsutaan tehostimeksi.

Yleismuuntimet - SEPIC

Näiden muuntimien lähtöjännite pidetään annetulla tasolla tulojännitteellä sekä tulojännitteen yläpuolella että tulojännitteen alapuolella. Suositellaan tapauksissa, joissa tulojännite voi vaihdella merkittävästi. Esimerkiksi autossa akun jännite voi vaihdella välillä 9 ... 14 V, mutta se vaaditaan vakaan 12 V:n jännitteen saamiseksi.

Käänteiset muuntimet - kääntävät muuntimet

Näiden muuntimien päätehtävä on saada lähtöjännitteellä käänteinen napaisuus suhteessa teholähteeseen. Se on erittäin kätevä tapauksissa, joissa tarvitaan esimerkiksi kaksinapaista tehoa.

Kaikki mainitut muuntimet voivat olla stabiloituja tai stabiloimattomia, lähtöjännite voi olla galvaanisesti kytketty tulojännitteeseen tai niillä voi olla jännitteiden galvaaninen erotus. Kaikki riippuu tietystä laitteesta, jossa muunninta käytetään.

Jos haluat siirtyä DC/DC-muuntimien tarinaan, sinun pitäisi ainakin yleisesti ymmärtää teoria.

Chopper alasmuunnin - buck-tyyppinen muuntaja

Sen toimintakaavio on esitetty alla olevassa kuvassa. Johtojen nuolet osoittavat virtojen suunnat.

Kuva 2. Katkaisijan stabilisaattorin toimintakaavio

Tulojännite Uin syötetään tulosuodattimen kondensaattoriin Cin. VT-transistoria käytetään avainelementtinä, se suorittaa suurtaajuisen virran kytkennän. Se voi olla MOSFET, IGBT tai tavanomainen bipolaarinen transistori. Näiden yksityiskohtien lisäksi piiri sisältää purkausdiodin VD ja lähtösuodattimen - LCout, josta syötetään jännite kuormaan Rн.

On helppo nähdä, että kuorma on kytketty sarjaan VT- ja L-elementtien kanssa, joten piiri on peräkkäinen. Miten jännite putoaa?

Pulssin leveysmodulaatio - PWM

Ohjauspiiri tuottaa suorakaiteen muotoisia pulsseja vakiotaajuudella tai vakiojaksolla, jotka ovat olennaisesti sama asia. Nämä pulssit on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Ohjauspulssit

Tässä t on pulssiaika, transistori on auki, tp on taukoaika, - transistori on kiinni. Suhdetta ti / T kutsutaan käyttösuhteeksi, se on merkitty kirjaimella D ja ilmaistaan ​​%% tai yksinkertaisesti numeroina. Esimerkiksi kun D on 50 %, käy ilmi, että D = 0,5.

Siten D voi vaihdella 0:sta 1:een. Arvolla D = 1 kytkintransistori on täydessä johtavuustilassa, ja kun D = 0, katkaisutilassa, se on yksinkertaisesti sanottuna suljettu. On helppo arvata, että kun D = 50%, lähtöjännite on yhtä suuri kuin puolet tulojännitteestä.

On aivan selvää, että lähtöjännitteen säätö tapahtuu muuttamalla ohjauspulssin t leveyttä ja itse asiassa muuttamalla kerrointa D. Tätä säätöperiaatetta kutsutaan (PWM). Lähes kaikissa hakkuriteholähteissä lähtöjännite stabiloituu PWM:n avulla.

Kuvissa 2 ja 6 esitetyissä kaavioissa PWM on "piilotettu" suorakulmioihin, jotka on merkitty "Ohjauspiiri", joka suorittaa joitain lisätoimintoja. Se voi olla esimerkiksi lähtöjännitteen pehmeä käynnistys, kaukokytkentä tai muuntimen oikosulkusuojaus.

Yleensä muuntimia käytetään niin laajasti, että elektronisten komponenttien valmistajat ovat käynnistäneet PWM-ohjaimien tuotannon kaikkiin tilanteisiin. Valikoima on niin laaja, että niiden luettelemiseen tarvitset koko kirjan. Siksi kenellekään ei tule mieleen koota muuntimia erillisiin elementteihin tai kuten usein sanotaan "irtojauheeksi".

Lisäksi valmiita pienitehoisia muuntimia voi ostaa Aliexpressistä tai Ebaysta merkityksettömällä hinnalla. Samanaikaisesti amatöörisuunnitteluun asennuksessa riittää juottaa tulo- ja lähtöjohdot levylle ja asettaa vaadittu lähtöjännite.

Mutta takaisin kuvioomme 3. Tässä tapauksessa kerroin D määrittää, kuinka kauan se on auki (vaihe 1) tai kiinni (vaihe 2). Näille kahdelle vaiheelle kaavio voidaan esittää kahdella numerolla. Kuvissa EI OLE ESITETTY elementtejä, joita ei käytetä tässä vaiheessa.

Kuva 4. Vaihe 1

Kun transistori on auki, virtalähteestä (galvaanikenno, akku, tasasuuntaaja) tuleva virta kulkee induktiivisen kuristimen L, kuorman Rн ja latauskondensaattorin Cout läpi. Tällöin kuorman läpi kulkee virta, kondensaattori Cout ja kuristin L varastoivat energiaa. Virta iL LISÄÄ VÄHITTÄIN, kuristimen induktanssin vaikutus vaikuttaa. Tätä vaihetta kutsutaan pumppaukseksi.

Kun kuorman yli oleva jännite saavuttaa ennalta määrätyn arvon (määritetty ohjauslaitteen asetuksella), transistori VT sulkeutuu ja laite siirtyy toiseen vaiheeseen - purkausvaiheeseen. Suljettua transistoria ei näy kuvassa ollenkaan, ikään kuin sitä ei olisi olemassa. Mutta tämä tarkoittaa vain, että transistori on pois päältä.

Kuva 5. Vaihe 2

Kun transistori VT on kiinni, kuristimen energian täydennystä ei tapahdu, koska virtalähde on katkaistu. Induktanssi L pyrkii estämään induktorin käämin läpi kulkevan virran suuruuden ja suunnan muutoksen (itseinduktio).

Siksi virta ei voi pysähtyä välittömästi ja se suljetaan "diodi-kuorma"-piirin kautta. Tästä syystä VD-diodia kutsutaan purkausdiodiksi. Tyypillisesti tämä on nopea Schottky-diodi. Ohjausjakson vaiheen 2 päätyttyä piiri kytkeytyy vaiheeseen 1, prosessi toistetaan uudelleen. Tarkasteltavan piirin lähdön maksimijännite voi olla yhtä suuri kuin tulojännite, eikä mitään muuta. Tulojännitettä suuremman lähtöjännitteen saamiseksi käytetään tehostusmuuntimia.

Toistaiseksi on tarpeen muistaa vain induktanssin todellinen arvo, joka määrittää katkaisijan kaksi toimintatapaa. Jos induktanssi on riittämätön, muunnin toimii katkaisuvirtojen tilassa, mikä on täysin mahdotonta hyväksyä virtalähteille.

Jos induktanssi on riittävän suuri, toiminta tapahtuu jatkuvien virtojen tilassa, mikä mahdollistaa lähtösuodattimien käytön vakiojännitteen saamiseksi hyväksyttävällä aaltoilutasolla. Jatkuvien virtojen tilassa toimivat myös tehostusmuuntimet, joista keskustellaan alla.

Hieman tehokkuuden lisäämiseksi purkausdiodi VD korvataan MOSFET-transistorilla, jonka ohjauspiiri avaa oikeaan aikaan. Tällaisia ​​muuntimia kutsutaan synkronisiksi. Niiden käyttö on perusteltua, jos muuntimen teho on riittävän suuri.

Tehosta tehostettuja tai tehostavia muuntimia

Step-up-muuntimia käytetään pääasiassa pienjännitevirtalähteenä esimerkiksi kahdesta tai kolmesta akusta, ja jotkin rakenteen komponentit vaativat 12 ... 15 V jännitteen alhaisella virrankulutuksella. Usein tehostimen muuntajaa kutsutaan lyhyesti ja selkeästi sanaksi "tehostin".

Kuva 6. Tehostusmuuntimen toimintakaavio

Tulojännite Uin syötetään tulosuodattimelle Cin ja syötetään sarjaan kytkettyyn L- ja kytkentätransistoriin VT. Diodi VD on kytketty käämin ja transistorin nielun liitoskohtaan. Kuorma Rн ja ohituskondensaattori Cout on kytketty diodin toiseen napaan.

VT-transistoria ohjataan ohjauspiirillä, joka muodostaa vakaan taajuuden ohjaussignaalin säädettävällä käyttöjaksolla D, samalla tavalla kuin edellä kuvattiin katkaisijapiiriä kuvattaessa (kuva 3). VD-diodi estää kytkintransistorin kuormituksen oikeaan aikaan.

Kun kytkintransistori on auki, L-käämin oikea puoli on kytketty virtalähteen Uin negatiiviseen napaan. Kasvava virta (induktanssin vaikutus vaikuttaa) virtalähteestä virtaa käämin ja avoimen transistorin läpi, energiaa kertyy kelaan.

Tällä hetkellä VD-diodi estää kuorman ja lähtökondensaattorin kytkinpiiristä, mikä estää lähtökondensaattoria purkamasta avoimen transistorin kautta. Kuormaa tällä hetkellä syöttää kondensaattoriin Cout varastoitu energia. Luonnollisesti lähtökondensaattorin jännite laskee.

Heti kun lähdön jännite laskee hieman määritettyä jännitettä pienemmäksi (määritetty ohjauspiirin asetuksista), avaintransistori VT suljetaan ja induktoriin tallennettu energia diodin VD kautta lataa kondensaattorin Cout. , joka toimittaa kuorman. Tässä tapauksessa kelan L itseinduktion EMF lisätään tulojännitteeseen ja siirretään kuormaan, joten lähtöjännite on suurempi kuin tulojännite.

Kun lähtöjännite saavuttaa asetetun stabilointitason, ohjauspiiri avaa transistorin VT ja prosessi toistetaan energian varastointivaiheesta alkaen.

Yleismuuntimet - SEPIC (yksipäinen ensiö-induktorimuunnin tai muuntaja, jossa on epäsymmetrisesti kuormitettu ensiöinduktanssi).

Tällaisia ​​muuntimia käytetään pääasiassa silloin, kun kuormalla on vähän tehoa ja tulojännite muuttuu suhteessa lähtöjännitteeseen ylös tai alas.

Kuva 7. SEPIC-muuntimen toimintakaavio

Hyvin samanlainen kuin kuvassa 6 esitetty tehostusmuunnin, mutta lisäelementeillä: kondensaattori C1 ja kela L2. Nämä elementit varmistavat muuntimen toiminnan jännitteenalennustilassa.

SEPIC-muuntimia käytetään, kun tulojännite vaihtelee suuresti. Esimerkki on 4V-35V - 1,23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down Converter Regulator. Juuri tällä nimellä kiinalaisissa myymälöissä myydään muuntajaa, jonka piiri on esitetty kuvassa 8 (suurentaaksesi kuvaa napsauttamalla).

Kuva 8. SEPIC-muuntimen kaavio

Kuva 9 esittää levyn ulkonäköä pääelementtien merkinnöillä.

Kuva 9. Ulkokuva SEPIC-muuntimesta

Kuvassa on pääosat kuvan 7 mukaisesti. Huomaa, että keloja L1 L2 on kaksi. Tämän perusteella voit määrittää, että tämä on SEPIC-muunnin.

Levyn tulojännite voi olla välillä 4…35V. Tässä tapauksessa lähtöjännitettä voidaan säätää välillä 1,23 ... 32 V. Muuntimen toimintataajuus on 500 KHz Pienen 50 x 25 x 12 mm:n kokoisena levyn teho on jopa 25 W. Suurin lähtövirta jopa 3A.

Mutta tässä on syytä tehdä huomautus. Jos lähtöjännite on asetettu arvoon 10 V, lähtövirta ei voi olla suurempi kuin 2,5 A (25 W). Lähtöjännitteellä 5V ja maksimivirralla 3A teho on vain 15W. Tärkeintä tässä ei ole liioitella: joko älä ylitä suurinta sallittua tehoa tai älä ylitä sallittua virtaa.

Viime aikoihin asti yleisin virtalähteet on ollut muuntajan piiri tasasuuntaajalla ja kapasitiivisella suodattimella. Ajan myötä ne syrjäytettiin kytkentämuuntimiin perustuvilla virtalähteillä. Hakkurivirtalähteet eroavat suotuisasti suuremmasta tehotiheydestä. Korkeataajuiset muuntajat ovat pienempiä ja vaativat vähemmän kuparilankaa, mikä vähentää merkittävästi koko tuotteen kustannuksia kokonaisuutena. Teollisuustaajuudella 50 (60) Hz toimivat muuntajapiirit ovat kuitenkin edelleen merkityksellisiä niiden yksinkertaisuuden ja luotettavuuden vuoksi.

Luokitus

Syöttöjännitemuuntimet voidaan luokitella seuraavasti:

1. Syöttöjännitteen luonteen mukaan:
   pysyvä;
   muuttuja;
   yleismaailmallinen.
2. Jännitteen muuntosuhde:
   nostaa;
   alaspäin.
3. Lähtöjännite-ampeeri-ominaisuuden (VAC) luonteen mukaan:
   ei vakaa;
   vakiintunut;
   säädettävä.
4. Perusmuunnosjärjestelmän tyypin mukaan:
   matalataajuinen muuntaja;
   pulssi kaasu;
   pulssi yksitahti flyback, eteenpäin;
   pulssi push-pull-, silta- ja puolisiltapiirit;
   invertterit;
   tyristori- ja triac-muunninpiirit.

Matalataajuiset muuntajapiirit

Kuva 1.AC muuntaja

Muuntajapiirit ovat yksinkertaisia ​​ja luotettavia. Niitä käytetään muuttamaan sinimuotoista vaihtojännitettä. Peruspiiri on esitetty kuvassa 1. Muunnostaajuus vastaa käytettyä verkkotaajuutta, suurimmassa osassa tapauksia se on 50 Hz, joissain maissa 60 Hz ja toisinaan 400 Hz erikoislaitteiden virransyöttöä varten.

Jännitteen muuntosuhteen luokitus

Muuntajapiirin muuntokerroin on yhtä suuri kuin lähdön suhde tuloon:

K:ssa, vähenee. Tämä on yleisin tehotaajuusmuuntajan tyyppi. Sitä käytetään laajasti kulutus- ja teollisuuselektroniikan virtalähteissä.

Jos K> 1, nostopiiri. Sitä käytetään tapauksissa, joissa vaaditaan korkeampi jännite suhteessa ensiövirtaan. Sitä käytetään joskus peruspiirinä invertterimuuntimissa sekä korkean jännitteen saamiseksi, esimerkiksi mikroaaltouunien magnetronin syöttämiseen jne.

Kun K = 1, lähtöjännitteen arvo ei käytännössä muutu tulojännitteen suhteen. Tätä piiriä käytetään joskus galvaaniseen eristykseen, kun on tarpeen sulkea pois verkkojännitteen vaikutus toimitettuun esineeseen tai sähköturvallisuussyistä.

Luokittelu lähtövirta-jännite -ominaisuuden luonteen mukaan

Säätelemättömät muuntajat

Niissä on yksi ensiö- ja yksi tai useampi toisiokäämi, useimmiten galvaanisesti eristetty primääristä. I-V-ominaisuus riippuu useista ehdoista ja on muuttumaton.

Säädetyt muuntajat - automuuntajat

Kuva 2. Automaattinen muuntaja

Automaattiset muuntajat suunniteltu tasaiseen tai porrastettuun lähtöjännitteen säätöön. Useimmiten niillä on yksi käämi, joka toimii samanaikaisesti ensiö- ja toisiopuolena, ja jännitteensäätö suoritetaan vaihtamalla lähtöliitin eri käämiliittimien välillä.

Automaattisen muuntajan tuloliitintä ei ole kytketty ääripäätteeseen, vaan useiden liittimien siirrolla käämin keskelle. Tämä mahdollistaa muuntokertoimen saavuttamisen sekä yksikön ala- että yläpuolella. Lähdön kytkeminen käämiliittimillä suoritetaan pakettikytkimellä tai vastaavalla kytkinlaitteella.

Jos lähtöjännitteen tasaisempaa säätöä tarvitaan, käytetään muunnettuja automuuntajia. Koko käämitys on kääritty yhteen kerrokseen toroidiselle ytimelle, käännä käännökseksi pienellä kierrosten välillä. Osa toroidikäämin päätypuolen eristyksestä poistetaan johtimesta, jotta kytkinlaite voidaan liittää jokaiseen kierrokseen. Kosketukseen käänteiden kanssa käytetään liukuvaa tai rullagrafiittia. Tämän rakenteen ansiosta napojen välinen vaihto tapahtuu tasaisemmin (eristyksestä vapautetut paikat), ja liukusäätimen liike melkein koko muuntajan käämitystä pitkin mahdollistaa jännitteen saamisen ulostulossa nollasta maksimiarvoon. muunnossuhde. Tällaisen erityisen suunnittelun ja lähtöjännitteen arvon syvän säätelyn ansiosta tällaisia ​​​​automuuntajia kutsutaan yleensä laboratorioautomuuntajiksi tai lyhennettyinä. LATR... LATR:n yksinkertaistettu sähkökaavio on esitetty kuvassa 2.

Muuntajapiirit tasasuuntaajalla

Useimmissa tapauksissa teollisuus- ja kulutuselektroniikkalaitteet vaativat tasavirtaa. Tätä varten muuntajapiirejä täydennetään puolijohdetasasuuntaajalla ja tasasuuntaajan jännitteen aaltoilun tasoittamiseksi tasasuuntaajapiirin lähdössä on tasoituskondensaattori. Peruspiiri on esitetty kuvassa 3, ja se voi tulla monimutkaisempi riippuen virtalähteen virta-jännite-ominaisuuden vaatimuksista.

Joissakin tapauksissa tarvitaan eri jännitetasoja tai keskipistesyöttöjä piirin eri lohkojen syöttämiseen. Tätä varten käytetään monikäämiä muuntajia, joissa on eri jännitteet tai varret, jotka on kytketty kapasitiivisella suodattimella varustetun tasasuuntaajan jokaiseen käämiin.

DC-jännitemuuntajien kytkeminen

Kun laitetta tarvitaan jännitteellä, jonka arvo on pienempi kuin käytettävissä oleva syöttöjännite, niitä käytetään usein stabilointipiirit perustuu jännitteenjakajiin - transistoreihin tai integraalisiin stabilaattoreihin. Tämän menetelmän haittapuolena on, että jos on tarpeen vähentää merkittävästi syöttöjännitettä suhteessa ensiövirtaan, säätöelementtiin (transistori, stabilointimikropiiri) muodostuu lämpöä sen kuormitusvirran neliöön verrannollinen. Merkittävällä kuormitusteholla tällainen muunnos aiheuttaa merkittäviä energiahäviöitä ja tehokkuuden laskua. Syöttöjännitteen tehokkaampaan muuntamiseen käytetään pulssimuuntimia, joiden toiminta perustuu pulssitaajuus tai pulssin leveys modulaatio.

Ymmärtääksesi pulssimodulaatioprosessin, harkitse kuvan 4 piiriä. "Yleisen" tulon lähtöihin ja "Uip" syötetään ensiölähteen jännite. SA1-kytkintä ohjaa ohjauslaite pulssitilassa sulkemalla ja avaamalla kondensaattorin C1 latauspiirin ajoittain liitäntälaitteen Rb kautta. Kun SA1-avain suljetaan, kondensaattori alkaa latautua, ja sen yli oleva jännite kasvaa vähitellen. Kun avain avataan, lataus päättyy. Jos kuorma irrotetaan, kondensaattorin jännite pysyy muuttumattomana avaimen seuraavaan sulkemiseen asti. Kun lähtöön kytketään kuorma, kondensaattori purkautuu ja sen yli oleva jännite laskee. Jos harkitsemme tätä toistuvaa prosessia pitkään, kuormitetun laitteen lähdössä on merkittäviä jännitevaihteluita. Jotta nämä vaihtelut eivät olisi niin merkittäviä, riittää lyhentää kondensaattorin lataus- ja purkuprosessin aikaa, ts. nosta kytkentäpulssin toistotaajuus hyväksyttäviin arvoihin.

Jännitetaso tällaisen muuntimen lähdössä riippuu avaimen kiinni-asennon ajan suhteesta auki-asennon aikaan ja kuorman suuruudesta. Jos otamme kuormitusvakion arvon, jännitetaso on suoraan verrannollinen pulssin kestoon ajanjaksolla. Pulssin keston suhdetta toistojaksoon kutsutaan pulssin käyttöjaksoksi:

missä D on pulssin toimintajakso, t on pulssin kesto, T on pulssin toistojakso.

Mitä suurempi pulssien käyttösuhde, sitä korkeammaksi jännite muuntimen lähdössä voidaan nostaa. Tällaisen muuntimen toiminnan tutkimiseksi voit koota kuvassa 5 esitetyn peruspiirin.

VT1-kytkin kytkee kondensaattorin C1 latauspiirin liitäntälaitteen (virtaa rajoittavan) vastuksen Rb kautta. Vetovastus Rp kiihdyttää elektronien virtausta kanta-alueelta sillä hetkellä, kun VT1-avain on lukittu. R® on vastus, joka rajoittaa VT1-näppäinkannan maksimivirtaa. VT2 - avain transistorin VT1 kantavirran ohjaamiseen. Sen tarkoituksena on koordinoida piirin toiminta generaattorin signaalin kanssa suhteessa tehonsyötön miinukseen, sillä ei periaatteessa ole väliä, jos generaattorisignaali käännetään ja viedään VT1-näppäinalustaan ​​suhteessa tehonsyöttöön plus.

Täyttökerrointa voidaan muuttaa useilla tavoilla. Tarkastellaan niitä erikseen.

Pulssitaajuusmodulaatio (PFM)

Kun samanpituisten pulssien toistotaajuus muuttuu, vain niiden välisten taukojen kesto muuttuu. Pulssin kesto on vakioarvo, se rajoittaa suurimman mahdollisen taajuuden, jonka generaattori saavuttaa suurimmalla mahdollisella pulssin käyttöjaksolla, eli kun yhtälö

Tässä tapauksessa taajuus on yhtä suuri kuin

Kuva 6 havainnollistaa pulssitaajuusmodulaation periaatetta. Punainen suora "a" on tavanomaisesti lineaarinen aikariippuvuus suodatinkondensaattorin C1 jännitteestä (kaavio kuvassa 5) latauksen aikana (VT1-painike on kiinni). Vihreä suora "b" on tavanomaisesti lineaarinen aikariippuvuus suodatinkondensaattorin jännitteestä, kun se puretaan kuormaan. t on pulssien kesto, sama kaikille pulsseille. T1, T2, T7 ja Tn ovat vastaavan järjestyksen pulssin toistojakso. Kuten yllä oleva esimerkki osoittaa, pulssin toistojaksot voivat vaihdella ja vaikuttaa ensisijaisesta lähteestä lähtöön siirretyn energian keskiarvoon.

Kuvan alaosassa on teoreettisesti oikea kaavio suodatinkondensaattorin jännitteestä, joka koostuu segmenteistä, jotka heijastavat ajoittain toistuvaa latausta/purkausta. Sininen käyrä näyttää jännitteen keskiarvon muuntimen lähdössä. Tämän käyrän vaakasuora leikkaus osoittaa lähtöjännitteen stabilointitilan - Ust.

Pulssinleveysmodulaatio (PWM)

Jatkuvalla pulssin toistojaksolla, eli kun pulssitaajuus ei muutu, modulointi suoritetaan muuttamalla pulssin kestoa, kun taas taukojen kesto muuttuu käänteisesti. Periaate on jossain määrin samanlainen kuin pulssitaajuusmodulaatio.

Pulssin leveys modulaatio on havainnollistettu kuvassa 7. Toisin kuin PFM:ssä, tässä pulssin toistojakso T on vakio ja pulssin kesto luokkaa t1, t4, tn vaihtelee riippuen moduloidun lähtöarvon vaaditusta tasosta.

Tarkastettujen menetelmien ero mahdollistaa erilaisten piiriratkaisujen käyttämisen yhden tehtävän suorittamiseen.

Taajuus- tai pulssinleveysmodulaatiolla voit rajoittaa, vakauttaa tai dynaamisesti säätää lähtöarvoa. Kuvassa 8 on esimerkkejä PFM- ja PWM-ohjauksesta.

Pulssimuuntimien piirit

Kuvien 4 ja 5 piiriä tarkasteltaessa voidaan kiinnittää huomio tällaisen ratkaisun yhteen merkittävään epäkohtaan: liitäntälaitteen vastuksen Rb läpi kulkee sen yli olevaan jännitehäviöön verrannollinen virta, kun kytkin on kiinni. Tämän seurauksena vastus haihduttaa osan energiasta lämmön muodossa, ja tämä johtaa hyötysuhteen laskuun. Tämän haitan poistamiseksi pulssipiireissä liitäntälaitteen vastuksen sijasta käytetään induktiivisia elementtejä - kuristimia ja pulssimuuntajia.

Rikastin rajoittaa virran nousua pulssin etureunaa (nousevaa) pitkin. Siitä hetkestä, kun kuristin kytketään päälle virtapiirissä ytimen täydelliseen magneettiseen kyllästymiseen, siihen varastoidaan energiaa magneettikentän muodossa. Kun ydin on täysin kyllästynyt, vaikka virta jatkaakin lisääntymistä, induktori ei pysty varastoimaan enemmän energiaa, minkä seurauksena energiaa alkaa vapautua lämmön muodossa, mikä voi aiheuttaa häviöitä ja vähentää tehokkuutta. Siksi piiri on suunniteltava siten, että pulssin pisin kesto rajoittuu täyteen kyllästymishetkeen. Kun kuristinpiiri katkeaa pulssin takareunaa (laskevaa) pitkin, kuristimen magneettikenttä pienenee nopeasti virran katkaisun seurauksena. Magneettikentän heikkeneminen aiheuttaa kuristinkäämin päissä magneettisen induktiojännitepulssin, jonka napaisuus on päinvastainen suhteessa käytettyyn jännitteeseen, kun virta kulkee kuristimen käämin läpi. Tämä jännite voidaan kytkeä siten, että pulssienergiaa käytetään kuorman tehostamiseen. Joten kuristin, rajoittaen, virta kerää energiaa, ja pulssien välillä se voi siirtää kertyneen energian kuormaan tai palauttaa sen ensisijaiseen lähteeseen. Tämän seurauksena energiahäviöt vähenevät, kun lähtöjännite laskee merkittävästi tulojännitteeseen nähden, jopa voimakasta kuormaa syötettäessä.

Takaosan EMF-pulssin ilmestymistä kelan käämiin voidaan käyttää paitsi lisäämään laitteen tehokkuutta, kun jännite on rajoitettu, myös lisäämään lähtöjännitettä suhteessa tulojännitteeseen.

Kuristusmuuntimien haittana on mahdottomuus galvaanisesti eristää lähtöä ensisijaisesta syöttöjännitelähteestä. Galvaaninen eristys voidaan toteuttaa käyttämällä pulssimuuntajia, joissa on erilliset ensiö- (syöttö-) ja toisiojännitteen käämit. Muuntajapiirit voivat toimia sekä yksitahtisessa tilassa (kuristintilassa) että push-pull-tilassa.

Tyypillisiä induktiivisia elementtejä käyttävien pulssimuuntajien kaskadeja - kuristimia ja pulssimuuntajia

Yksipäisten DC-jännitemuuntajien lähtövaihepiirit kuristimella

Tasavirtajännitteen kuristimen muunnin

Kuva 9 esittää pääteasteen. SA1 on skeemaohjattu avain. Kun avain kytketään päälle alkuhetkellä, syöttöjännitteen ja lähtöjännitteen välinen ero syötetään kuristimeen. Sitten, kun kela magnetoituu, sen läpi kulkeva virta kasvaa vähitellen ja sen yli oleva jännitehäviö päinvastoin pienenee. Kun virta kulkee kuristimen läpi, suodatinkondensaattori C1 varautuu ja kuristin varastoi energiaa sydämen magneettikenttään. Kun avain avataan, L1-käämin päissä esiintyy käänteinen jännitepulssi. Kun kuristimeen tulee takaisin EMF, pulssidiodi DV1 kommutoi käämityksensä vapautuneen lähdön miinuksella C1. Tämän seurauksena induktorin magneettikenttään varastoitua energiaa ei menetetä, vaan se kuluu suodattavan lähtökondensaattorin lisävaraukseen pulssien välissä.

Tasavirtajännitteen tehostuskuristimen muunnin

Kun piiri (kuva 10) on kytketty ensisijaiseen tasajännitelähteeseen, kondensaattori C1 varataan induktorin L1 ja pulssidiodin (Schottky-diodi) DV1 kautta. Sen yli oleva jännite saavuttaa virtalähteen jännitteen, josta on vähennetty induktorin ja diodin jännitehäviö.

Rikastin lasketaan siten, että SA1-näppäimen ollessa auki kuormalla käytettäessä kuormitusvirta ei johda kuristimen sydämen merkittävään kyllästymiseen.

Kun SA1-avain suljetaan, virtalähteen jännite syötetään kuristimeen, sen läpi kulkeva virta kasvaa ja magneettikentän energia kertyy ytimeen täydellisen kyllästymishetkeen asti. Diodi VD1 sulkeutuu, kun avain suljetaan käänteisen jännitteen vaikutuksesta, lukuun ottamatta kondensaattorin C1 sulkeutumista.

Ytimen kyllästymisen jälkeen avain avautuu.

Kun avain avataan, kuristimeen ilmestyy käänteisen napaisuuden jännitepulssi. Estodiodin anodilla näkyy jännite, joka on yhtä suuri kuin ensisijaisen teholähteen jännitteiden ja kuristimen yli tulevan pulssin jännitteen summa. Diodi avautuu ja C1 latautuu.

Koska avain avataan, kuristimen käänteispulssin jännite aiheuttaa lisäyksen ensisijaisen lähteen jännitteeseen, muuntimen lähdössä voimme saada jännitteen, joka ylittää jännitteen. ensisijainen lähde.

Tämän piirin pohjalta on mahdollista rakentaa muuntajia, joissa on säädettävä lähtöjännite, mutta säätö on mahdollista vain ensiölähteen jännitteestä, mikä rajoittaa tämän ratkaisun laajuutta.

Esimerkki kuristinmuuntimien lähtöasteiden transistoripiireistä

Kokeiden suorittamiseksi kyseessä olevilla kuristinmuuntimien tyypeillä on mahdollista koota kaskadipiirejä kuvissa 11 ja 12 esitettyihin transistoreihin.

Tyydyttymätön pulssimuuntaja

Kun muuntajaan syötetään unipolaarisia jännitepulsseja, hystereesisilmukan jyrkän ominaisuuden vuoksi jäännösjännitys ytimessä ei poistu, ja jokaisella seuraavalla pulssilla se saavuttaa sellaisen arvon, jossa magneettikentän voimakkuuden muutos pulssin alusta loppuun tulee merkityksetön. Koska energian siirto muuntajassa tapahtuu muuttuvan magneettikentän avulla, jonka arvo pienenee merkittävästi sydämen yksipuolisella magnetoinnilla, pienenee energian määrä, jonka muuntaja pystyy siirtämään yhdessä työjaksossa, eli sen tehokkuutta. Tällaisissa tapauksissa joskus sanotaan niin muuntaja on kyllästetty magnetointivirran vakiokomponentilla.

Sen ytimessä avoimella magneettipiirillä varustettu muuntaja on kuristin toisiokäämeillä.

Yksitahtimuuntimien käytössä erotetaan kaksi syklin vaihetta:

1. keskinäisen induktion EMF:n heräte toisiokäämissä magneettivuon intensiteetin kasvaessa ensiövirran kasvaessa (ytimen magnetointi);
2. keskinäisen induktion EMF:n heräte toisiokäämissä magneettivuon voimakkuuden putoamisen aikana, kun ensiövirta palautetaan (ytimen demagnetointi).

On suositeltavaa poistaa hyötyteho toisiokäämistä joko syklin ensimmäisessä vaiheessa tai toisessa vaiheessa. Kun toisiokäämin hyötykuorma on ensimmäisessä vaiheessa, muuntajaa kutsutaan "eteenpäin", toisessa - "flyback".

Eteenpäin suuntautuva virtausmuunnin, jossa käytetään ei-kyllästävää pulssimuuntajaa

Kuva 13 esittää kaaviota myötäsuuntaisen impulssimuuntimen tehoasteesta.

Kun VT1-avain avautuu ohjauspulssin aikana, T1:n ensiökäämiin syötetään syöttöjännite. Ensiövirta alkaa kasvaa, kun ydin kyllästyy. Tällä hetkellä sydämen kasvava magneettivuo aiheuttaa jännite-induktion tällaisen napaisuuden omaavaan toisiokäämiin, jolloin pulssidiodi VD1 avautuu varaamalla kondensaattorin C1 ja syöttäen kuormaa.

Kun VT1-avain sulkeutuu, ensiökäämin läpi virta lakkaa kulkemasta, minkä seurauksena magneettikentän voimakkuus alkaa muuttua vastakkaiseen suuntaan eli pienentyä. Ytimen magneettivuon pieneneminen indusoi toisiokäämitykseen käänteisen polariteetin jännitteen, jossa diodi VD1 sulkeutuu. Molemmat käämit ovat kuormittamattomia, minkä seurauksena kaikkien käämien päissä voi esiintyä jännitepulssi, joka on useita kertoja suurempi kuin ensiölähteen jännite. Tämä pulssi voi vahingoittaa sekä pulssidiodia, jos sen suurin käänteinen jännite ylittyy, että transistorikytkintä. Siksi tällaisia ​​piirejä on täydennettävä suojapiireillä.

Suojausmenetelmiä voi vaihdella, kuvassa on vain yksi mahdollisista vaihtoehdoista. Täällä käänteisen jännitepulssin ilmestymishetkellä sen aalto avaa vaimennusdiodin VDd, minkä seurauksena vaimennusketjun Cd kondensaattori ohittaa ensiökäämin, kun jännitepulssin jyrkkä etu kulkee, ja vastus Rd pienentää jonkin verran koko pulssin jännitearvoa.

Flyback-muunnin, jossa käytetään tyydyttymätöntä pulssimuuntajaa

Kuvan 14 piiri toistaa kuvan 13 piirin. Erona on, että toisiokäämin liittimet on vaihdettu. Jos olet jo kiinnittänyt huomiota "*"-merkkeihin T1-käämien kuvissa, niin monet teistä ovat arvaneet, että tämä on symboli käämien alkamisesta.

Nyt kun avain avataan, ensiökäämin virta alkaa kasvaa sydämen magnetoituessa, mutta toisiokäämissä indusoitunut jännite sulkee VD1-diodin ja kaikki energia (häviöitä lukuun ottamatta) siirtyy sen läpi. ensiökäämi kerääntyy sydämen magneettikenttään, kunnes se on täysin kyllästynyt. Kun avain on lukittu, virta lakkaa kulkemasta ensiökäämin läpi ja toisiokäämitykseen indusoituu käänteinen jännite, joka avaa VD1-diodin, lataa kondensaattorin C1 ja syöttää kuormaa.

Tässä tapauksessa hyötykuormamme poistetaan toisiokäämistä sydämen demagnetoinnin aikana, muuntimen toimintajakson käänteisen iskun aikana. Siitä nimi - "flyback".

Käänteinen vaihe tällaisen muuntimen vakiokuormalla on aktiivinen, eikä ensiökäämissä saa esiintyä vaarallisia jännitepiikkejä, kun ensiöpiiri avataan. Mutta kun kuorma on muuttuva, avain voi epäonnistua tyhjäkäynnin aikana. Tätä varten tarkasteltavaa kaaviota on täydennettävä suojapiirillä, joka on samanlainen kuin kuvan 13 kaavio.

Yllä olevat yksipäisten muuntajien kaskadipiirit soveltuvat vain pienitehoiselle alueelle, noin 100 VA:iin asti.

Pulssimuuntajia käyttävien push-pull-DC-jännitemuuntajien lähtövaihepiirit

Tehomuuntajat ovat keskeinen osa syöttöjännitteen muunnoslaitteita. Kuten olemme jo todenneet, yksijaksoiset toimintatavat asettavat merkittäviä rajoituksia niiden käytölle ja tehokkuudelle. Pulssimuuntajien kaikkien hyödyllisten ominaisuuksien täydellisempään käyttöön, niitä käytetään push-pull muunnospiirit... Tämä ei mahdollista vain tehokkuuden lisäämistä, vaan myös suurelta osin muuntimen tehoa.

Tarkastellaan kolmea push-pull-pulssimuuntimien tehoasteiden peruspiiriä.

Kaavio push-pull-pulssimuuntimen tehoasteesta, jonka lähtö on ensiökäämin keskipiste

Kuvan 15 piirissä käytetään pulssimuuntajaa T1, jossa on kaksi ensiökäämiä I ja II, jotka on kytketty sarjaan, ts. yhden käämin pää on kytketty toisen alkuun. Tämä liitäntä muodostaa keskipisteen, johon yksi virtalähteen navoista on kytketty, tässä tapauksessa positiivinen. Ensiökäämien vapaat johtimet on kytketty virtalähteen vastakkaiseen napaan tehokytkinten VT1 ja VT2 kautta.

Tämän piirin koko toimintajakso koostuu käämien I ja II kytkemisestä vuorotellen virtalähdepiiriin. Esimerkiksi VT1-avainta avattaessa käämi I virittää sydämessä tietyn magneettikentän voimakkuuden omaavan magneettivuon. Kun VT1 on kiinni, sydämen magneettivuo heikkenee jäännösarvoon. Tämä on työn ensimmäinen askel. Lisäksi VT2-avain avautuu, kun taas virta alkaa virrata käämin II läpi, mikä luo magneettivuon vastakkaiseen suuntaan verrattuna ensimmäiseen jaksoon. Tässä tapauksessa ytimellä on aikaa demagnetoitua kokonaan ja sitten taas kyllästyä käänteisen napaisuuden magneettivuolla. Kun VT2-avain suljetaan, myös magneettivuo pienenee jäännösarvoon. Tämä on muuntimen toinen jakso.

Toiminta push-pull-tilassa mahdollistaa pulssimuuntajien, joiden ytimet, joilla on korkea magneettisen permeabiliteettiarvo, edut täysimääräisesti hyödyntää, eikä se vaadi ei-magneettisen raon lisäämistä magneettipiiriin.

Yhteenvetona push-pull-muuntajan toteutuksen olemuksesta, tämä on säännöllinen muutos ensiökäämin virran suunnassa.

Push-pull-pulssimuuntimen tehoasteen puolisiltapiiri

Puolisiltapiirissä (kuva 16) ensiövirta tuotetaan lataamalla kondensaattoreita C2 ja C3.

Kun molemmat näppäimet ovat kiinni, syöttöjännitteen kytkemisen jälkeen puolisillan C2 ja C3 ylä- ja alavarren kondensaattorit latautuvat suunnilleen tasaisesti ja yhteiseen napaan muodostuu jännite, joka on suunnilleen puolet syöttöjännitteestä. .

Kun VT1-avain avataan, ensiökäämin I alku (merkitty "*") osoittautuu kytketyksi virtalähteen positiiviseen napaan. Tässä tapauksessa kondensaattori C2 alkaa purkautua ja C3 alkaa latautua. Kondensaattorien yhteisen pisteen potentiaali pyrkii vetäytymään ensiövirtalähteen positiiviseen napaan.

Kun VT1 suljetaan ja VT2 avataan, käämin alku vaihtuu ensisijaisen virtalähteen positiivisesta napasta negatiiviseen napaan. Tässä tapauksessa havaitaan symmetrinen prosessi aiemmin tarkasteltuun - C3 puretaan ja C2 latautuu. Niiden yhteinen piste ensiökäämin vieressä pyrkii vetäytymään syöttömiinuskohtaan.

Muuttimen edellä mainitun kahden toimintajakson seurauksena ensiökäämiin syntyy sähkövirran vaihtosuunta, joka virittää muuntajan sydämessä vaihtuvan magneettivuon ja vuo indusoi vaihtojännitteen muuntajan ytimeen. toisiokäämi.

Kytkentähetkellä ensiökäämin navoissa voi esiintyä jännitepulsseja, jotka voivat vaurioittaa avaimia, joten suojaussyistä molemmat näppäimet on ohitettu suojadiodilla VD1 ja VD2.

Push-pull-pulssimuuntimen tehoasteen siltapiiri

Siltapiiri (silta) koostuu neljästä varresta, jotka on muodostettu näppäimillä VT1-VT4. Sillalla on kaksi diagonaalia. Yksi diagonaali on kytketty ensiövirtalähteeseen. Pulssimuuntajan T1 ensiökäämi I on kytketty toiseen diagonaaliin.

Vaihtelevan magneettivuon luomiseksi primäärikäämin avulla muuntajan sydämessä suoritetaan avainparien VT1, VT4 ja VT2, VT3 vuorottelu.

Suojadiodit VD1, VD2, VD5 ja VD6, kun ensiökäämissä esiintyy kytkentäimpulsseja, kytkevät sen siten, että kuorman poistamattoman magneettikentän energia palaa ensiövirtalähteeseen.

Kuollut aika (tauko)

Kun ohjaussignaali poistetaan, transistorin sulkeutuminen kokonaan kestää jonkin aikaa. Jos avain (avainpari siltapiirissä) ei ole vielä suljettu tai sitä ei ole suljettu kokonaan, ja toinen avain (avainpari) avataan, luotu julkinen avainketju ohittaa ensisijaisen virtalähteen. Tässä tapauksessa transistorit tuottavat huomattavan määrän lämpöä, toimivat ylikuormitustilassa tai saattavat jopa epäonnistua. Tämän estämiseksi kytkentäjaksojen väliin otetaan erityinen tauko - aika, joka tarvitaan päättyneessä jaksossa toimineiden näppäinten täydelliseen lukitsemiseen. Tätä aikaa kutsutaan "kuolleeksi taukoksi" tai "kuolleeksi ajaksi".

Säätö- ja vakautustilat

Kaikille tarkastetuille pulssimuuntimien piireille lähtöparametrien säätö- ja stabilointiprosessin järjestämisen yleinen periaate on ominaista - pulssimodulaatio... Kuva 18 esittää lohkokaavion muunnosprosessin organisoinnista lähtöjännitteen ja virran ohjauksella.

Ensisijainen PI-virtalähde syöttää energiaa SIM-kortin pulssimodulaatiopiiriin ja VC-lähtöasteeseen. Pulssimodulaatiopiiri generoi ohjaussignaalin, joka lähetetään KU:n ohjauskanavan kautta. VC-lähtöaste syöttää ensisijaisen PI-lähteen syöttöjännitteen muuntamisen seurauksena kuormaan H SKN-jännitteensäätöpiirin ohjaamaa jännitettä. Kuormavirtaa ohjaa SKT-virran ohjauspiiri. Takaisinkytkentäkanavien KOST ja KOSN ohjauspiirit muodostavat informaatiosignaaleja SIM-kortin pulssimodulaatiopiirin tuloihin. Näiden signaalien perusteella SIM muodostaa tarvittavat ominaisuudet KU:n ohjauskanavan kautta VC-lähtöasteeseen syötettävälle ohjaussignaalille.

Tämä lohkokaavio kuvastaa muuntimen monimutkaisinta versiota, joka pystyy valvomaan ja säätämään useita parametreja kerralla, kuten virtaa, jännitettä ja kuormitustehoa. Joissakin tapauksissa yksinkertaisempi suoritus riittää. Esimerkiksi, jos tarvitaan vain jännitteen säätöä, voit poistaa virranohjauspiirin esimerkiksi vähätehoisen elektronisen laitteen virran saamiseksi. Kun tarvitaan vain virransäätöä, jännitteensäätöpiirit voidaan eliminoida, mitä yleensä tarvitaan rakennettaessa virtalähteitä LED-ryhmille. Täydellinen piiri jännitteen ja virran ohjauksella voi olla hyödyllinen laturien kehittämisessä, kun sinun on rajoitettava sekä virtaa että suurinta sallittua jännitettä tai jopa luoda monimutkaisempi muunnosalgoritmi mikrokontrolleripiireillä.

Johtopäätös

Impulssiteknologiassa on monia vivahteita, jotka on otettava huomioon suunnittelussa, mutta nämä ovat jo suppeampia aiheita, jotka vaativat huomioimista erityisissä ratkaisuissa. Annetut tiedot ovat yleisiä ja informatiivisia. On mahdotonta kattaa kaikkea piirien monimuotoisuutta ja eksotiikkaa yhdessä artikkelissa. Mutta riippumatta siitä, mitä laitetta sinun tulee harkita, perusperiaatteet eivät juuri muutu. Siksi, kun olet oppinut perusasiat, ymmärrät luotettavasti minkä tahansa monimutkaisuuden piirit.

Terveisin Mihail Stashkov.

Pulssin alasmuuntimet ovat olennainen osa modernia elektroniikkaa. Ne pystyvät muuttamaan virtalähteen jännitteet (tyypilliset arvot 8 - 25 V) alemmaksi stabiloiduksi jännitteeksi (tyypilliset arvot 0,5 - 5 V). Buck-muuntimet siirtävät pieniä määriä energiaa kytkimen, diodin, kelan ja useiden kondensaattoreiden avulla. Huolimatta siitä, että pulssimuuntimien koko ja melutaso ovat paljon suurempia kuin niiden lineaariset vastineet, pulssimuuntimien tehokkuus on useimmissa tapauksissa suurempi.

Vaikka se on laajalle levinnyt, buck-muuntimen suunnittelu voi olla haastavaa niin aloitteleville virtalähteiden suunnittelijoille kuin keskitason ammattilaisille. Tämä johtuu useimpien käytännön menetelmien ja joidenkin piirien laskentaalgoritmien saavuttamattomuudesta. Ja vaikka osa laskelmista löytyy helposti sirun eritelmistä, tämäkin tieto on joskus painettu virheellisesti.

Buck-muuntimien valmistajat sisällyttävät insinöörien avuksi tyypillisen sovellussuunnittelun tekniseksi osaksi, joka puolestaan ​​usein määrittelee prototyyppien komponenttien tietyt tyypit ja määrät. Mutta valmistajat antavat harvoin yksityiskohtaisen kuvauksen komponenttien valintamenetelmistä olettaen, että kuluttaja kopioi täsmälleen ehdotetun vaihtoehdon. Jos piirin jonkin pääkomponentin tuotanto lopetetaan tai se on korvattava halvemmalla, kuluttajalla ei ole käsillä menetelmää vastaavan valitsemiseksi.

Tässä artikkelissa käsitellään vain yhtä buck-säätimen topologiaa - kiinteää kytkentätaajuutta, pulssinleveysmodulaatiota (PWM) ja jatkuvaa virtaa (RNT). Käsiteltyjä periaatteita voidaan soveltaa muihin topologioihin, mutta pelkistettyjä yhtälöitä ei voida soveltaa suoraan niihin. Buck-muuntimen suunnittelun monimutkaisuuden käsittelemiseksi tarjoamme esimerkin, joka sisältää yksityiskohtaisen analyysin eri komponenttien parametrilaskelmista. Vaaditaan neljä piiriparametria: tulojännitealue, stabiloitu lähtöjännite, suurin lähtövirta ja muuntimen kytkentätaajuus. Kuvassa Kuvassa 1 luetellaan nämä parametrit sekä tarvittavat kaaviot ja pääkomponentit.

Riisi. 1.

Rikastimen valinta

Rikastimen arvon laskeminen on kriittisin näkökohta buck-muuntimen suunnittelussa. Ensin oletetaan, että anturi toimii RNT:ssä, mikä on tyypillinen tapaus. RNT tarkoittaa, että kun kytkinelementti on kiinni, kuristin ei ole täysin tyhjentynyt. Alla olevat yhtälöt pätevät ihanteelliselle kytkentäelementille (nolla julkisen avaimen resistanssi ja ääretön suljettu yksi, nolla kytkentäaikaa) ja ihanteellinen diodi:

jossa f SW on buck-muuntimen kytkentätaajuus ja LIR on kelan virran suhde, joka ilmaistaan ​​prosentteina lähtövirrasta I OUT (eli aaltoiluvirralle, jonka huipusta huippuvirtaan on 300 mA Kun lähtövirta on 1 A, saadaan LIR = 0,3 A / 1 A = 0,3).

LIR 0,3 osoittaa hyvää tehokkuuden ja vasteen suhdetta kuormituksen muutoksiin. LIR-vakion kasvu - kuristusvirran aaltoilun kasvu - transienttiominaisuuksien dynamiikan parantuminen ja LIR:n lasku - siten virran aaltoilun väheneminen - transienttiprosessien hidastuminen. Kuvassa Kuvassa 2 esitetään transienttiominaisuudet ja kuristusvirta tietylle kuormitusvirran arvolle LIR-arvolla 0,2 - 0,5. Kuvan ylin kaavio on AC-lähtöjännitteen aaltoilu, 100 mV / div. Keskimääräinen käyrä - kuormitusvirta, 5 A / jak. Pohja - kuristinvirta, 5 A / div. Kaikkien kaavioiden aika-asteikko on 20 μs / div.

Riisi. 2.

Suurin kuristinvirta määrittää kyllästysvirran vaaditun nimellisarvon, joka puolestaan ​​määrittää kuristimen mitat. Kuristimen ytimen kyllästyminen heikentää muuntimen tehokkuutta ja nostaa kuristimen, MOSFETin ja diodin lämpötilaa. Induktorin suurin käyttövirta voidaan laskea alla olevalla kaavalla:

missä

Kuvassa esitetyille arvoille. 1, näistä kaavoista laskettu induktanssi on 2,91 μH (LIR = 0,3). Valitse tyypillinen arvo, joka on lähinnä laskettua arvoa, esimerkiksi 2,8 μH, ja tarkista sitten, että kyllästysvirran arvo on suurempi kuin laskettu maksimivirran arvo (IPEAK = 8,09 A).

Valitse riittävän korkea kyllästysvirta (tässä tapauksessa 10 A) kompensoimaan piirin parametrien poikkeamat ja komponenttien todellisten ja laskettujen arvojen väliset erot. Hyväksyttävä marginaali tälle olisi 20 % lasketusta nimellisarvosta, kun otetaan huomioon kuristimen fyysisten mittojen rajoitus.

Tämän kokoisten ja tämäntyyppisten kuristimien DC-resistanssi (DCR) on tyypillisesti 5-8 mΩ. Minimoi tehohäviö valitsemalla rikastin, jossa on pienin RVC. Vaikka tekniset tiedot vaihtelevat toimittajittain, käytä laskelmissa aina maksimi-TPR-arvoja tyypillisten arvojen sijaan, koska maksimi on taattu pahimmassa tapauksessa.

LÄHTÖKONDENSAATTORIN VALITSEMINEN

Lähtökondensaattori tarvitaan minimoimaan jännitepiikit ja aaltoilu buck-muuntimen lähdössä. Suuret piikit johtuvat riittämättömästä lähtökapasitanssista ja suuret jännitteen aaltoilut riittämättömästä kapasitanssista ja lähtökondensaattorin korkeasta ESR:stä. Suurin sallittu ylijännite ja aaltoiluamplitudi määritetään yleensä suunnitteluhetkellä. Siksi aaltoiluvaatimusten täyttämiseksi on tarpeen sisällyttää lähtökondensaattori, jolla on riittävä kapasitanssi ja pieni ESR.

Ylitysongelma (kun lähtöjännite ylittää stabilointijännitteen täyden kuorman äkillisen irrottamisen aikana lähdöstä) edellyttää, että lähtökondensaattori on riittävän suuri estämään induktorin energian siirtyminen tietyn maksimin yläpuolelle. Lähtöjännitteen ylitys voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

(Lvl 2)

Muuttamalla yhtälö 2 saadaan:

(Taso 3)

jossa C 0 on yhtä suuri kuin lähtökapasitanssi ja DV on yhtä suuri kuin lähtöjännitteen suurin ylitys.

Ottaen jännitteen 100 mV maksimiylityksen arvon ja ratkaisemalla yhtälön 3, saadaan laskennallinen lähtökapasitanssi 442 μF. Korjaus tyypilliseen kondensaattorin toleranssiin (20 %) antaa käytännön lähtökapasitanssin arvon noin 530 μF. Lähin standardiarvo on 560 μF.

Lähtöaalto, kun käytetään vain tätä säiliötä, lasketaan seuraavalla kaavalla:

Suurin vaikutus aaltoiluon on lähtökondensaattorin ESR. Tulos voidaan laskea seuraavasti:

Huomaa, että kondensaattorin valitseminen, jolla on erittäin alhainen ESR, voi saada invertterin epävakaaksi. Vakaustekijät vaihtelevat IC:stä toiseen, joten muista lukea tietolehti valitessasi lähtökondensaattoria ja kiinnitä erityistä huomiota muuntimen vakauteen liittyviin kohtiin.

Lisäämällä kapasitanssista johtuvan lähtöjännitteen aaltoilun (ensimmäinen termi yhtälössä 4) ja lähtökondensaattorista ESR (toinen termi), saamme buck-muuntimen lähtöjännitteen aaltoilun summan:

Muuttamalla yhtälö 4 ESR:n löytämiseksi, saamme:

Hyvän buck-muuntimen lähtöjännitteen aaltoilu on tyypillisesti alle 2 % (tapauksessamme 40 mV). Kun lähtökapasitanssi on 560 μF, yhtälö 5 antaa maksimiarvioitulle ESR:lle 18,8 mΩ. Valitse siksi kondensaattori, jonka ESR on alle 18,8 mΩ ja kapasitanssi vähintään 560 μF. Useita matalan ESR:n kondensaattoreita voidaan kytkeä rinnan, jotta ESR-ekvivalentti on alle 18,8 mΩ.

Riisi. 3.

Kuvassa Kuva 3 näyttää lähtöjännitteen aaltoilun riippuvuuden lähtökapasitanssin ja ESR:n arvoista. Koska esimerkissämme käytetään tantaalikondensaattoreita, ESR:n vaikutus aaltoiluon on hallitseva.

TULOLAHDUTTIMEN VALITSEMINEN

Tulokondensaattorin virran aaltoilualue määrittää sen arvon ja fyysiset mitat. Seuraava kaava laskee, mikä tulokondensaattorin aaltoiluvirran tulee olla:

Riisi. 4.

Riisi. Kuva 4 on kaavio, joka esittää kondensaattorin aaltoiluvirran (osuutena lähtövirrasta) buck-muuntimen tulojännitteen funktiona (näkyy lähtöjännitteen ja tulojännitteen suhteena). Pahin tapaus on, kun tulojännite V IN = 2V OUT (V OUT / V IN = 0,5), mikä johtaa maksimiaaltovirtaan I OUTMAX / 2... Buck-muuntimeen tarvittavan kondensaattorin tulokapasitanssi riippuu virtalähteen impedanssista. Yleiskäyttöisille laboratoriovirtalähteille riittää tyypillisesti 10-22 μF jokaista kuormitusvirran ampeeria kohden. Kuvan piirin parametreille. 1, voidaan laskea, että syöttövirran aaltoilu on 3,16 A. Tämän perusteella voidaan aloittaa täydellä 40 μF:n tulokapasitanssilla ja sitten testitulosten perusteella korjata tämä arvo.

Tantaalikondensaattorit eivät ole hyvä valinta tulosuodattimille. Ne yleensä epäonnistuvat "oikosulkulla", mikä tarkoittaa, että viallinen kondensaattori luo oikosulun liittimiinsä ja lisää siten tulipalon vaaraa. Keraamiset tai alumiiniset elektrolyyttikondensaattorit ovat suositeltavia, koska niissä ei ole tämän tyyppisiä vikoja.

Keraamiset kondensaattorit ovat paras valinta, kun piirilevytilaa tai komponenttien korkeutta on rajoitettu, mutta ne voivat aiheuttaa piirin akustisen soittoäänen. Tämä korkeataajuinen kohina johtuu piirilevylle asennetun keraamisen kondensaattorin tärinästä, joka johtuu ferrosähköisistä ominaisuuksista ja jännitteen aaltoilun aiheuttamasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Polymeerikondensaattorit voivat helpottaa ongelmaa. Ne ovat myös herkkiä oikosulkuhäiriöille, mutta ovat paljon luotettavampia kuin tantaali ja sopivat siksi tulokondensaattoreiksi.

DIODIN VALINTA

Diodia valittaessa rajoittava tekijä on tehohäviö. Huonoin tapauksen keskiteho voidaan laskea kaavalla:

(Lv. 6)

missä V D- jännitehäviö diodin yli tietyllä lähtövirralla I OUTMAX.

(Pidiodeille tyypillinen arvo on 0,7 V, Schottky-diodeille 0,3 V). Valitun diodin on kyettävä haihduttamaan energiaa. Jotta varmistetaan luotettava toiminta koko tulojännitealueella, suurimman käänteisen toistuvan jännitteen on oltava suurempi kuin enimmäistulojännite ( V RRMі V INMAX). Diodin myötäsuuntaisen virran ohjearvon on vastattava maksimilähtövirtaa tai ylitettävä se (ts. I FAMі I OUTMAX).

MOS-TRANSISTORIN VALINTA

Insinöörit valitsevat usein vain säätimen IC:n, jossa on integroitu MOSFET. Valitettavasti useimmat valmistajat uskovat, että voimakkaiden MOSFETien sijoittaminen samaan pakettiin muuntimen kanssa on kohtuuttoman korkea, joten integroidut piirit ovat yleensä ominaisia ​​enintään 3 ... 6 A:n enimmäislähtövirroilla. Tehokkaampia piirejä varten Ainoa vaihtoehto on yleensä ulkoinen MOSFET...

Ennen sopivan laitteen valintaa on tarpeen määrittää liitoksen maksimilämpötila ( T JMAX) ja suurin ympäristön lämpötila ( T AMAX) ulkoinen MOS-transistori. T JMAX ei saa ylittää 115 ... 120 ° C ja T AMAX ei saa ylittää 60 °C. Ympäristön maksimilämpötila 60 °C saattaa tuntua korkealta, mutta tyypillisesti buck-muuntimet asennetaan alustaan, jossa tämä lämpötila ei ole epätavallinen. MOSFETin suurin sallittu lämpötilan nousu voidaan laskea kaavalla:

Korvaa yllä olevat arvot T JMAX ja T AMAX Yhtälössä 7 MOSFETin suurin lämpötilan nousu on 55 °C. MOSFETin hävittämä maksimiteho voidaan laskea MOSFETin sallitun enimmäislämpötilan nousun perusteella:

MOSFET-runkotyyppi ja jäähdytyselementtiparametrit vaikuttavat liitoksen ja keskipitkän väliseen lämpövastukseen (Θ JA). Jos spesifikaatiossa ei ole tietoja Θ:stä JA, standardinmukaiselle SO-8-kotelolle (johdolliset liitännät, kotelo ilman kuparipohjaa) asennettuna 30 gramman kuparilevylle, jonka koko on 6,5 cm 2, 62 °C / W on kohtuullisen tarkka. Merkkien Θ välissä JA ja säteilijän massalla ei ole käänteistä lineaarista suhdetta, ja arvon Θ pienenemisaste JA putoaa nopeasti, kun käytetään kuparipatteria, jonka pinta-ala on yli 6,5 cm 2. Korvataan yhtälöön 8 Θ JA= 62 ° C / W, saamme sallitun tehohäviön noin 0,89 W.

MOSFETin haihduttama teho on seurausta nollasta poikkeavasta nielusta lähteeseen päällekytkentävastuksen ja kytkentähäviöiden seurauksena. Avoimen kanavan resistanssista aiheutuvat häviöt voidaan laskea kaavalla:

(Lv. 9)

Koska useimmat hakuteokset antavat suurimman avoimen kanavan vastuksen vain 25 °C:ssa, saatat joutua arvioimaan tämän parametrin arvon T JHOT... Käytännön laskelmia varten riittävän tarkka maksimivastuksen arvo missä tahansa lämpötilassa varmistaa, että lämpötilakerrointa sovelletaan 0,5 % / ° C. Näin ollen avoimen kanavan vastus korkeassa lämpötilassa lasketaan seuraavasti:

Jos oletetaan, että kanavahäviö on noin 60 % MOSFETin mukana tulevasta kokonaishäviöstä ja muunnetaan yhtälö 10 yhtälöksi 11 tätä ajatellen, suurin sallittu kanavavastus 25 °C:ssa on:

Kytkentähäviöt edustavat pienempää osaa MOSFETin tehohäviöstä, mutta ne on kuitenkin otettava huomioon. Seuraava kytkentähäviöiden laskelma antaa melko karkean likiarvon eikä siksi korvaa laboratorioestimaattia. Suositeltava testi on käyttää P1-transistoriin kiinnitettyä lämpötila-anturia luotettavaa lämpötilan säätöä varten.

(Lvl 12)

missä RSS:n kanssa- transistorin P1 läpimenokapasiteetti (portin tyhjennys) on hilaohjaimen suurin tulo/lähtövirta ja P1 on yläpuolen MOS-transistori. Olettaen, että hilaohjaimen virta on 1 A (arvo hilaohjaimen/ohjaimen referenssitiedoista) ja 300 pF:n kapasitanssi (MOSFET-spesifikaatiosta), saadaan yhtälöstä 11 maksimiarvo RDS (ON) 25 °C noin 26,2 mΩ. Kanava- ja kytkentähäviöiden uudelleenlaskenta ja summaus antaa lopputuloksena tehohäviöarvon 0,676 W. Tämän luvun avulla voit laskea, että suurin sallittu lämpötilan nousu tietylle MOSFETille on 101 ° C. Tämä arvo on sallitun lämpötila-alueen sisällä.

ALAS MUUNTAJAN HYÖDYLLINEN TEHO

Tehohäviön minimoiminen pidentää akun käyttöikää ja vähentää invertterin lämmön haihtumista. Seuraavat kaavat tarjoavat laskelman tehohäviöstä kullekin muuntimen osalle.

Tulokondensaattorin ESR-häviö:

Diodihäviö, MOSFETin päällekytkentävastus ja kytkentähäviö lasketaan yhtälöiden 6, 9 ja 12 avulla.

Häviöt SCT-kuristimessa:

Lähtökondensaattorin ESR-häviö:

Häviöt kuparijohtimissa: Näitä häviöitä on vaikea laskea tarkasti, mutta kuva Kuvio 5 antaa karkean arvion painetun piirilevyn neliömäisen kuparipalan vastusarvosta. Käyttämällä kuviota 5, yksinkertaista I 2 R -tehohäviöyhtälöä voidaan käyttää häviön laskemiseen.

Riisi. 5. Yhden kupariunssin resistanssi neliömäisessä muodossa on noin 0,5 mΩ

Seuraava yhtälö summaa kaikki muuntimen häviöt ja ottaa ne huomioon muuntimen hyötysuhdelausekkeessa:

Olettaen, että kuparihäviö on 0,75 W, tämän muuntimen hyötysuhde on 69,5 %. Piidiodin korvaaminen Schottky-diodilla nostaa hyötysuhteen 79,6 prosenttiin ja MOSFET-synkronisen tasasuuntaajan käyttö diodien sijaan nostaa tehokkuuden 85 prosenttiin täydellä kuormalla.

Riisi. 6.

Kuvassa Kuvassa 6 on esitetty muuntimen tehohäviöiden analyysi. Kuparimassan kaksinkertaistaminen 60 grammaan tai kolminkertaistaminen 90 grammaan minimoi kuparihäviöt ja nostaa siten hyötysuhteen 86:sta 87 %:iin.

Huolellinen piirilevyasettelu on tärkeä tekijä kytkentähäviön ja buck-muuntimen vakauden minimoinnissa. Aloita noudattamalla seuraavia ohjeita:

• Suurvirtapiirit, erityisesti maadoitusjohtojen kohdalla, tulee pitää mahdollisimman lyhyinä.
• Minimoi induktorin, MOSFETin ja diodin/synkronisen tasasuuntaajan johtimien pituus.
• Verkkovirta- ja latauslinjojen tulee olla lyhyitä ja leveitä. Tämä lähestymistapa on erittäin tärkeä korkean tehokkuuden saavuttamiseksi.
• Sijoita virta- ja jännitteenottoherkät komponentit ja johtimet pois kytkentäsolmuista.

OMINAISUUDET

Kun kehitetään tai muokataan alaspäin kytkettävää säätöpiiriä (joka toimii RNT:ssä PWM:n avulla), tämän artikkelin yhtälöitä voidaan käyttää pääkomponenttien parametrien ja vaadittujen ominaisuuksien laskemiseen. Lopullisen suunnittelun sähköisen ja lämpösuorituskyvyn tarkistamiseksi piirille tulee aina tehdä laboratoriotesti. Tyydyttävän piirin suorituskyvyn kannalta oikea piirilevyasettelu ja komponenttien järkevä sijoitus ovat yhtä tärkeitä kuin oikeiden komponenttien valinta.

Teknisiä tietoja varten
ota yhteyttä KOMPELiin.
Sähköposti:

Uudet RS-485 lähetin-vastaanottimet

Maxim Integrated Products esittelee Half Duplex -vastaanottimen
RS-485 liitäntälähettimet MAX13487E / MAX13488E... Näiden mikropiirien ominaisuus on AutoDirection Control -toiminto, joka mahdollistaa automaattisesti kuljettajan työskentelyn tiedonsiirron aikana. Tämä ominaisuus eliminoi lähettimen mahdollistavan ohjaustulon tarpeen, mikä säästää tilaa ja vähentää komponentteja sähköeristetyissä instrumenteissa, autoissa ja teollisissa sovelluksissa.

MAX13487E-mikropiiri tarjoaa ± 15 kV staattisen sähkön suojauksen (ESD) IEC 61000-4-2 Air-Gap Method -testimenetelmän mukaisesti. Samalla molemmat mikropiirit tarjoavat suojan ± 15 kV:n staattisilta sähköpurkauksilta ihmiskehon mallimenetelmällä testattuna. MAX13487E-lähettimissä on siirtonopeuden rajoitus ja alennettu EMI. Ne on suunniteltu toimimaan ympäristössä, jossa on lisääntynyt ulkoisten häiriöiden taso, ja ne mahdollistavat virheettömän tiedonsiirron jopa 500 kbaud:n nopeuksilla. MAX13488E:n siirtonopeus on jopa 16 Mbaud. Lisäksi näiden mikropiirien vastaanottimien kokonaistuloimpedanssi on 1/4 standardiarvosta, mikä mahdollistaa jopa 128 lähetin-vastaanottimen kytkemisen verkkoon.

MAX13487E / MAX13488E:n laajennettu käyttölämpötila-alue on -40 °C - 85 °C. Mikropiirit ovat saatavilla tavallisessa 8-nastaisessa SOIC-paketissa.