1.2.1.Diodo veikimo principas ir srovės-įtampos charakteristika (vaškas).

1.2.2. Diodų tipai

1.3. Bipoliniai tranzistoriai

1.3.1. Tranzistoriaus veikimo principas.

1.3.2 Statinė tranzistoriaus banga

1.4. Vienapoliai (lauko) tranzistoriai.

1.4.1. Lauko tranzistoriai su pn jungtimi.

1.4.2. МДП - tranzistoriai.

1.5. Tiristoriai

1.5.1. Tiristorių klasifikacija

1.5.2. Diodinio tiristoriaus veikimo principas

1.5.3. Triodinio tiristoriaus veikimo principas.

2. Stiprintuvai

2.1 Stiprintuvų paskirtis ir klasifikacija

2.2. Stiprinimo pakopų konstravimo principas.

2.3. Bendra emiterio stiprintuvo pakopa.

2.4. Su kondensatoriumi sujungti daugiapakopiai stiprintuvai.

2.5. Galios stiprintuvai.

2.5.1 A klasės galios stiprintuvas su transformatoriumi prijungta apkrova (2.6 pav.)

2.5.2. Push-pull galios stiprintuvas (2.7 pav.)

2.6. Grįžtamojo ryšio stiprintuvai

2.7 nuolatinės srovės stiprintuvai

2.8. Operaciniai stiprintuvai (oh).

2.8.1. Invertuojantis stiprintuvas (2.19 pav.)

2.9.1. Palygintojai. Schmitto gaidukas

2.9.2. Multivibratoriai

2.9.3. Monovibratoriai

3. Lygintuvai

3.1. Vienfazis pilnos bangos nevaldomas lygintuvas su nuliniu gnybtu.

3.2.1. Lygintuvo veikimas su aktyvia-indukcine apkrova.

3.2.2. Lygintuvo veikimas su aktyvia talpine apkrova

3.3. Vienfazis tiltinis lygintuvas

3.4. Tiltinis lygintuvas su nulinio taško transformatoriumi

3.5. Trifazis lygintuvas su nuliniu gnybtu

3.6. Trifazis tiltinis lygintuvas

3.6. Vienfazis valdomas lygintuvas

4. Vieno veikimo tiristorių perjungimas

4.1. Lygiagretus perjungimo mazgai.

4.2. Nuosekliojo perjungimo mazgai

5. DC įtampos keitiklių perjungimas

5.1. Nuolatinės įtampos impulsinio reguliavimo metodai

5.2. Ippn su lygiagrečiu komutavimu ir komutavimo grandine, sujungta lygiagrečiai su galios tiristoriumi

5.3. Ippn su nuosekliu perjungimu

6. Inverteriai.

6.1. Autonominiai srovės keitikliai (ait)

6.1.1. Vienfazis lygiagretus srovės keitiklis.

6.1.2. Trifazis lygiagretus ait

6.2. Autonominiai rezonansiniai keitikliai (ACI).

6.2.1. Serijinis kalimas

6.2.2. Serijinis oras su priešiniais diodais.

6.3. Autonominiai įtampos keitikliai.

6.3.1. Būdas generuoti keitiklio išėjimo įtampą kintamo poliškumo ir tokios pat trukmės impulsų pavidalu.

6.3.2. Inverterio išėjimo įtampos formavimo ir reguliavimo impulsų pločio metodas.

6.3.2.1. Shir su nuo apkrovos priklausoma išėjimo įtampos bangos forma.

6.3.2.2. Shir su nuo apkrovos nepriklausoma išėjimo įtampos bangos forma.

6.3.3. Sumažinto harmonikų kiekio keitiklio išėjimo įtampos kreivės formavimas.

7. Optoelektronika

7.2. Foto detektoriai.

2.Fotodiodai.

3. Fototranzistoriai (7.8 pav.).

4. Fototiristoriai.

7.3. Šviesos kreiptuvai ir paprasčiausi optronai

8. Skaitmeninės technologijos

8.1 Logikos algebros aksiomos, dėsniai, tapatybės ir teoremos

8.2. Loginiai elementai ant diodų ir bipolinių tranzistorių.

8.2.1. Loginis elementas arba.

8.2.2. Loginis elementas ir.

8.2.3. Loginiai vartai ne.

8.2.4. Loginis elementas ar ne.

8.2.5. Loginis elementas ir-ne.

8.3. Loginių elementų parametrai.

8.4 Lauko tranzistorių loginiai elementai.

8.4.1. Loginiai vartai ne.

8.4.2. Loginis elementas ar ne.

8.4.3 Būlio elementas ir ne.

5. DC įtampos keitiklių perjungimas

5.1 pav

IPPN yra skirti keisti nuolatinės įtampos vertę. Jie skirti apkrovai tiekti pastovia įtampa UH, kuri skiriasi nuo maitinimo šaltinio E įtampos. Tokiu atveju kartais reikia stabilizuoti U n keičiant E ir apkrovos srovę arba keisti U n pagal tam tikrą įstatymas, nepaisant E.

Tokių keitiklių išėjimo įtampai būdinga stačiakampių impulsų seka, kurios trukmė t ir pauzė t p (5.1 pav.), kurios amplitudė artima E, o vidutinė išėjimo įtampos reikšmė U n.

IPPN veikimo principas pagrįstas reguliavimo puslaidininkinio įtaiso, kuris periodiškai jungia maitinimo šaltinį E prie keitiklio išvesties grandinės, pagrindiniu darbo režimu.

5.1. Nuolatinės įtampos impulsinio reguliavimo metodai

ITPN išėjimo įtampos reguliavimas atliekamas impulsiniais metodais keičiant išėjimo signalų parametrus. Plačiausiai naudojami impulsų pločio, impulsų dažnio metodai ir jų derinys.

Impulso pločio valdymo metodas (WID) atliekamas keičiant išėjimo impulsų trukmę (plotį) t ir su pastoviu jų pasikartojimo periodu T = const;
... Vidutinė keitiklio išėjimo įtampos vertė WID:

, (5.1)

kur
- reguliavimo koeficientas.

Pagal šią formulę ITPN su WID išėjimo įtampos reguliavimo diapazonas yra nuo nulio (t ir = 0; γ = 0) iki E (t ir = T; γ = 1).

5.2 pav

Impulsų dažnio valdymas (PFR) atliekamas keičiant išėjimo impulsų pasikartojimo dažnį
kurių trukmė t ir = const nesikeičia. Keitiklio reguliavimo galimybes apibūdina santykis:
(5.2)

Išėjimo įtampa E atitinka ribinį impulsų pasikartojimo dažnį, lygų , ir nulinė išėjimo įtampa
.

Kombinuotas SHIR ir CHIR naudojimas susideda iš dviejų išėjimo impulsų t ir ir parametrų pakeitimo ir vadinamas kombinuotu.

Panagrinėkime dažniausiai pasitaikančius IPPN grandinių konstravimo principus (5.2.a pav.). Reguliavimo elementą paprastai parodysime rakto pavidalu, kurio funkciją dažniausiai atlieka tiristorius arba galios tranzistorius. Išėjimo grandinėje yra aktyviojo indukcinio pobūdžio apkrova Z n ir, jei reikia, išlyginamasis droselis L f. Kartais naudojami sudėtingesni anti-aliasing filtrai, pavyzdžiui, L formos LC filtras. VD 0 diodas yra skirtas sukurti apkrovos srovės srauto grandinę, kai atidarytas K klavišas.

Panagrinėkime procesus, vykstančius tokiame keitiklyje. Mygtuko t 1 -t 2, t 3 -t 4, t 5 -t 6 įjungimo būsenos intervalais įtampa prijungiama prie išlyginamojo filtro įėjimo U out = E, diodas VD 0 yra uždaryta. Srovė i n teka per apkrovą išilgai grandinės (+ E) -K- L f -Z n - (- E). Jungiklio išjungimo būsenos intervalais t 2 -t 3, t 4 -t 5 nėra ryšio tarp išėjimo grandinės ir maitinimo šaltinio, tačiau srovė per apkrovą tęsiasi. Jį palaiko reaktyviųjų elementų - droselio L f ir apkrovos induktyvumo L n sukaupta energija ir uždaroma per VD 0, dėl ko U out = 0. Neatsižvelgiant į droselio L f ir švino laido aktyviųjų varžų įtampos kritimus U n = U out, jis nustatomas pagal vidutinę U out (t) reikšmę ir randamas pagal 4.1 ir 4.2 formules. Srovę i n sudaro didėjimo ir kritimo eksponentų dalys su laiko konstanta
... Vidutinė srovė
.

Pereinant prie didelės apkrovos galios (virš 100 kW), kyla sunkumų konstruojant keitiklius pagal nagrinėjamą schemą. Juos sukelia didelės srovės ir būtinybė naudoti daug lygiagrečiai sujungtų tiristorių. Be to, sunku įgyvendinti droselio su dideliu induktyvumu konstrukciją. Didelės galios PPTS atliekamas pagal kelių ciklų principą, paremtą lygiagrečiu T formos atskirų keitiklių, veikiančių bendra apkrova iš bendro nuolatinės srovės šaltinio, prijungimu.

Įtampos keitiklis yra įtaisas, keičiantis grandinės įtampą. Tai elektroninis įrenginys, naudojamas įrenginio įėjimo įtampai keisti. Įtampos keitikliai gali padidinti arba sumažinti įėjimo įtampą, įskaitant pradinės įtampos dydžio ir dažnio keitimą.

Poreikis naudoti šį įrenginį dažniausiai iškyla tais atvejais, kai reikia naudoti bet kokį elektros prietaisą vietose, kur neįmanoma pasinaudoti esamais standartais ar maitinimo galimybėmis. Keitikliai gali būti naudojami kaip atskiras įrenginys arba būti nepertraukiamo maitinimo sistemų ir maitinimo šaltinių dalimi. Jie plačiai naudojami daugelyje pramonės sričių, buityje ir kitose pramonės šakose.

Įrenginys

Impulsiniai įtampos keitikliai su indukcine energijos kaupimu dažnai naudojami norint konvertuoti vieną įtampos lygį į kitą. Pagal tai žinomi trys keitiklių grandinių tipai:

• Invertavimas.
• Pakėlimas.
• Žemyn.

Šiems keitiklių tipams būdingi penki elementai:

• Rakto perjungimo elementas.
• Maitinimas.
• Indukcinis energijos kaupimas (droselis, induktorius).
• Filtro kondensatorius, kuris yra prijungtas lygiagrečiai su apkrovos varža.
• Blokavimo diodas.

Šių penkių elementų įtraukimas į skirtingus derinius leidžia sukurti bet kurį iš išvardytų impulsų keitiklių tipų.

Keitiklio išėjimo įtampos lygio reguliavimas užtikrinamas keičiant impulsų, valdančių raktinio perjungimo elemento veikimą, plotį. Išėjimo įtampos stabilizavimas sukuriamas grįžtamojo ryšio metodu: pasikeitus išėjimo įtampai, automatiškai pasikeičia impulso plotis.

Tipiškas įtampos keitiklio atstovas taip pat yra transformatorius. Jis konvertuoja vienos vertės kintamosios srovės įtampą į kitos vertės kintamosios srovės įtampą. Ši transformatoriaus savybė plačiai naudojama elektronikoje ir elektrotechnikoje.

Transformatoriaus įtaisą sudaro šie elementai:

• Magnetinė grandinė.
• Pirminė ir antrinė apvija.
• Apvijų rėmas.
• Izoliacija.
• Vėsinimo sistema.
• Kiti elementai (prieigai prie apvijų gnybtų, montavimui, transformatoriaus apsaugai ir kt.).

Įtampa, kurią transformatorius gamins antrinėje apvijoje, priklausys nuo pirminės ir antrinės apvijų posūkių.

Yra ir kitų tipų įtampos keitiklių, kurių konstrukcija skiriasi. Jų įtaisas daugeliu atvejų yra pagamintas iš puslaidininkinių elementų, nes jie užtikrina didelį efektyvumą.

Veikimo principas

Įtampos keitiklis generuoja reikiamos vertės maitinimo įtampą iš kitos maitinimo įtampos, pavyzdžiui, tam tikrai įrangai maitinti iš akumuliatoriaus. Vienas pagrindinių reikalavimų keitikliui – užtikrinti maksimalų efektyvumą.

Kintamosios srovės įtampos konvertavimas gali būti lengvai atliktas naudojant transformatorių, todėl tokie nuolatinės srovės į įtampą keitikliai dažnai sukuriami tarpinio DC į kintamąją keitimą pagrindu.

• Prie transformatoriaus pirminės apvijos prijungtas galingas kintamos įtampos generatorius, kuris maitinamas nuolatinės įtampos šaltiniu.
• Iš antrinės apvijos pašalinama reikiamo dydžio kintamoji įtampa, kuri vėliau ištaisoma.
• Jei reikia, pastovi lygintuvo išėjimo įtampa stabilizuojama naudojant stabilizatorių, kuris yra lygintuvo išėjime, arba valdant generatoriaus generuojamos kintamos įtampos parametrus.
• Norint pasiekti aukštą įtampos keitiklių efektyvumą, naudojami generatoriai, kurie veikia rakto režimu ir generuoja įtampą naudojant logines grandines.
• Generatoriaus išėjimo tranzistoriai, perjungiantys pirminės apvijos įtampą, iš uždaros būsenos (per tranzistorių neteka srovė) pereina į soties būseną, kur įtampa per tranzistorių krenta.
• Aukštos įtampos maitinimo šaltinių įtampos keitikliuose daugeliu atvejų naudojamas saviindukcijos emf, kuris sukuriamas ant induktyvumo esant staigiam srovės pertrūkiui. Tranzistorius veikia kaip srovės pertraukiklis, o pakopinio transformatoriaus pirminė apvija veikia kaip induktyvumas. Išėjimo įtampa generuojama antrinėje apvijoje ir ištaisoma. Tokios grandinės gali generuoti iki kelių dešimčių kV įtampą. Jie dažnai naudojami katodinių spindulių lempoms, vaizdo kineskopams ir pan. Tuo pačiu užtikrinamas daugiau nei 80% efektyvumas.

Peržiūrėjo

Konverterius galima klasifikuoti keliais būdais.

DC įtampos keitikliai:

• Įtampos reguliatoriai.
• Įtampos lygio keitikliai.
• Linijinis įtampos reguliatorius.

AC į DC keitikliai:

• Perjungimo įtampos stabilizatoriai.
• Maitinimo šaltiniai.
• Lygintuvai.

DC į kintamosios srovės keitikliai:

• Inverteriai.

Kintamosios srovės įtampos keitikliai:

• Kintamo dažnio transformatoriai.
• Dažnio keitikliai ir įtampos bangos formos.
• Įtampos reguliatoriai.
• Įtampos keitikliai.
• Visų rūšių transformatoriai.

Elektronikos įtampos keitikliai pagal savo konstrukciją taip pat skirstomi į šiuos tipus:

• Ant pjezoelektrinių transformatorių.
• Automatinis generavimas.
• Transformatorius su impulsiniu sužadinimu.
• Perjungiami maitinimo šaltiniai.
• Impulsų keitikliai.
• Multiplekseriai.
• Su perjungiamais kondensatoriais.
• Kondensatorius be transformatoriaus.

Ypatumai

• Nesant tūrio ir svorio apribojimų, taip pat esant aukštai maitinimo įtampai, racionalu naudoti tiristorių keitiklius.
• Tiristorių ir tranzistorių puslaidininkiniai keitikliai gali būti reguliuojami ir nereguliuojami. Šiuo atveju reguliuojami keitikliai gali būti naudojami kaip kintamosios ir nuolatinės srovės įtampos stabilizatoriai.
• Pagal prietaiso virpesių sužadinimo metodą gali būti grandinės su nepriklausomu sužadinimu ir savaiminiu sužadinimu. Nepriklausomos sužadinimo grandinės yra pagamintos iš galios stiprintuvo ir pagrindinio osciliatoriaus. Impulsai iš generatoriaus išėjimo nukreipiami į galios stiprintuvo įvestį, kas leidžia jį valdyti. Savaime sužadintos grandinės yra impulsiniai generatoriai.

Taikymas

• Elektros energijos paskirstymui ir perdavimui. Elektrinėse generatoriai paprastai gamina 6-24 kV galią. Norint perduoti energiją dideliais atstumais, naudinga naudoti aukštesnę įtampą. Dėl to kiekvienoje elektrinėje įrengiami transformatoriai, didinantys įtampą.
• Įvairioms technologinėms reikmėms: elektroterminiams įrenginiams (elektrinių krosnių transformatoriai), suvirinimui (suvirinimo transformatoriai) ir pan.
• Įvairių grandinių tiekimui;

- telemechanikos, ryšių prietaisų, elektros prietaisų automatizavimas;
- radijo ir televizijos įranga.

Norėdami atskirti šių įrenginių elektros grandines, įskaitant įtampos suderinimą ir pan. Šiuose įrenginiuose naudojami transformatoriai dažniausiai yra mažos galios ir žemos įtampos.

• Beveik visų tipų įtampos keitikliai yra plačiai naudojami kasdieniame gyvenime. Daugelio buitinių prietaisų, sudėtingų elektroninių prietaisų, keitiklių blokai yra plačiai naudojami norint užtikrinti reikiamą įtampą ir užtikrinti autonominį maitinimo šaltinį. Pavyzdžiui, tai gali būti inverteris, kuris gali būti naudojamas kaip avarinis arba atsarginis buitinės technikos (televizoriaus, elektrinių įrankių, virtuvės prietaisų ir pan.) maitinimo šaltinis, sunaudojantis 220 voltų kintamąją srovę.
• Brangiausi ir populiariausi medicinoje, energetikoje, kariuomenėje, moksle ir pramonėje yra keitikliai, kurių išėjimo kintamoji įtampa yra grynos sinusinės formos. Ši forma tinka įrenginiams ir įrenginiams, kurių jautrumas signalui yra padidėjęs. Tai yra matavimo ir medicinos įranga, elektriniai siurbliai, dujiniai katilai ir šaldytuvai, tai yra įranga, kurioje yra elektros varikliai. Keitikliai dažnai reikalingi ir įrangos eksploatacijos pratęsimui.

Privalumai ir trūkumai

Įtampos keitiklių pranašumai yra šie:

• Įėjimo ir išėjimo srovės režimo valdymo užtikrinimas. Šie įrenginiai kintamąją srovę paverčia nuolatine srove, tarnauja kaip nuolatinės srovės įtampos skirstytuvai ir transformatoriai. Todėl juos dažnai galima rasti gamyboje ir kasdieniame gyvenime.
• Daugumos šiuolaikinių įtampos keitiklių konstrukcija turi galimybę perjungti skirtingas įvesties ir išėjimo įtampas, įskaitant išėjimo įtampos reguliavimą. Tai leidžia pasirinkti įtampos keitiklį konkrečiam įrenginiui arba prijungtai apkrovai.
• Buitinių įtampos keitiklių, pavyzdžiui, automobilių keitiklių, kompaktiškumas ir lengvumas. Jie yra maži ir neužima daug vietos.
• Pelningumas. Įtampos keitiklių efektyvumas siekia 90%, o tai žymiai taupo energiją.
• Patogumas ir universalumas. Keitikliai leidžia greitai ir lengvai prijungti bet kokį elektros prietaisą.
• Galimybė perduoti elektros energiją dideliais atstumais dėl padidėjusios įtampos ir pan.
• Kritinių mazgų patikimo veikimo užtikrinimas: apsaugos sistemos, apšvietimas, siurbliai, šildymo katilai, mokslinė ir karinė įranga ir kt.

Įtampos keitiklių trūkumai yra šie:

• Įtampos keitiklių jautrumas didelei drėgmei (išskyrus keitiklius, specialiai sukurtus naudoti vandens transporte).
• Jie užima šiek tiek vietos.
• Palyginti aukšta kaina.

Dažnai radijo mėgėjų praktikoje tampa būtina gauti įvairias stabilizuotas įtampas įrenginiams maitinti. Dažniausiai šiems tikslams yra:

• parametriniai stabilizatoriai(remiantis zenerio diodu esant mažam įrenginio srovės suvartojimui);

• linijiniai stabilizatoriai tranzistorių pagrindu arba stabilizatorių LM78XX, LM317 pagrindu. Tokių stabilizatorių srovė ribojama iki 1,5 ampero. Be to, dar vienas veiksnys, ribojantis šių stabilizatorių taikymo sritį, yra įėjimo įtampos pavertimas išėjimo įtampa išleidžiant didelį šilumos kiekį, tai yra, jei įėjimo įtampa yra 20 voltų, ir stabilizatorius su Naudojama 9 voltų išėjimo įtampa, tada papildomi 11 voltų pavirs šiluma ... Tuo pačiu metu IC korpusas įkaista iki pakankamai aukštų temperatūrų ir jai pašalinti reikalingas radiatorius, termo pasta, o esant didelėms apkrovos srovėms – priverstinis aušinimas ventiliatoriumi, kuriam taip pat reikia galios;

• pulso stabilizatoriai... Šie stabilizatoriai nuolatinę įėjimo įtampą paverčia impulsiniais virpesiais, o vėliau juos stabilizuoja. Vienas iš šio stabilizatorių sektoriaus atstovų yra LM2596 IC. Tiesą sakant, tai yra impulsų keitiklis su daugybe darbo režimų. Dėl to, kad vidiniame IC pasaulyje nėra jokių linijinių procesų, korpuso šilumos nuostoliai yra minimalūs. Norint prijungti mikroschemą, reikia minimalaus priedų skaičiaus, atsižvelgiant į reikiamus tikslus. Tipiškas įtraukimas parodytas paveikslėlyje.

Sėkmingiausias sprendimas radijo mėgėjams ir amatininkams yra šios mikroschemos veikimas reguliuojamoje versijoje - LM2596ADJ. Duomenų lapą galite peržiūrėti čia.

Remdamasi mikroschemomis, Kinijos žmonių pramonė gamina platų gatavų nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklių modulių asortimentą, tiek buck, tiek didinimo. Vienas iš jų yra šis nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės mažinimo modulis.

Produktas turi šias charakteristikas:

• įėjimo įtampa: 4V ~ 35V
• išėjimo įtampa: 1,23V ~ 30V
• išėjimo srovė: 2A (nominali), 3A (maks. su radiatoriumi)
• konversijos efektyvumas: 92 %
• išvesties bangavimas:< 30 мВ
• konvertavimo dažnis: 150 kHz
• darbinės temperatūros diapazonas: -45 ~ + 80 С (labai sąlyginiai indikatoriai)
• modulio dydis: 43 * 21 * 14 mm.

Vienintelis dalykas, kurio reikia prieš pradedant eksploatuoti, yra nustatyti reikiamą išėjimo įtampą esant tuščiai apkrovai ir patikrinti ją esant apkrovai.

Pažymėtina, kad įėjimo įtampa turi būti bent 1,5 V didesnė už išėjimą. Jei reikia, sumontavę radiatorių ant mikroschemos ir taikydami priverstinį aušinimą, galite pasiekti 4,5 amperų išėjimo srovę. Tačiau šis veikimo būdas yra ekstremalus ir, atsižvelgiant į mažą modulio kainą, geriau naudoti kelis iš jų su lygiagrečiu ryšiu. Kaip ir LM78XX atveju, šių modulių pagrindu galima sukurti dvipolius maitinimo šaltinius.

Norėdami tai padaryti, vietoj kondensatoriaus įėjime (C1, C2), stabilizatorių LM7805 (ir kt.), kondensatorių išėjime, turėtumėte įdiegti stebimus sumažinimo modulius. Be minėtų charakteristikų, modulis turi apsaugą nuo trumpojo jungimo ir temperatūros. Kai mikroschema pasiekia 125 laipsnių Celsijaus temperatūrą, IC veikimas sustoja ir atnaujinamas tik jai sumažėjus. Taigi labai, labai sunku išjungti IC modulį.

Savo praktikoje šiuos modulius naudojau ličio baterijų įkrovikliams (kartu su įkrovimo valdikliu), radijo imtuvams, mp3 grotuvams, galingiems šviesos diodams su varžos srovės apribojimu maitinti. Trumpai tariant, modulio taikymo sritis yra gana plati.

Palyginimui, aš pirmiausia maitinau radijo imtuvą iš stabilizatoriaus, kurio pagrindas yra LM7809, su tinklo lygintuvu ant transformatoriaus, tada pakeičiau LM7809 grandinę šiuo moduliu. Dėl to garsiakalbyje dingo žemo dažnio fonas. Deja, modulių gamintojas prie įėjimo neįdiegė apsauginio diodo, kuris apsaugo nuo grandinės gedimų dėl maitinimo poliškumo pakeitimo, tačiau tai galima padaryti ir patiems. Ypač svetainei - Nikolajus Kondratjevas, Doneckas

Aptarkite straipsnį KONVERTERIŲ SUMAŽINIMAS

Yra dvi bet kokių perjungimo įtampos keitiklių kategorijos:
Su transformatoriumi
Su kaupiamuoju droseliu
Bet kurios iš šių dviejų kategorijų keitiklis gali būti sumažintas ir padidintas, įrenginiuose su saugojimo droseliu jis priklauso nuo perjungimo grandinės, įrenginiuose su transformatoriumi nuo transformacijos koeficiento.

Perjungimo įtampos keitikliai su saugojimo droseliu

Tokių grandinių išvestis visada bus pastovi arba pulsacinė įtampa.
Jų išvestyje negalite gauti kintamos įtampos.

Signalas, kuris turi būti nukreiptas į tašką A1 bendro laido atžvilgiu:

Kaip veikia keitiklių perjungimas su saugojimo droseliu?

Panagrinėkime padidinimo keitiklio pavyzdį.
Akumuliatoriaus droselis L1 yra prijungtas taip, kad atidarius tranzistorių T1, srovė iš „+ PIT“ šaltinio pradėtų tekėti per juos, o srovė droselyje nedidėja akimirksniu, nes energija kaupiama magnetiniame lauke. užspringti.
Tranzistoriui T1 užsidarius, droselyje sukaupta energija turi būti išleista, tai atitinkamai išplaukia iš droselyje vykstančių reiškinių fizikos, vienintelis šios energijos kelias eina per šaltinį + PIT, diodą VD1 ir prijungtą apkrovą. prie IŠĖJIMO.
Šiuo atveju maksimali išėjimo įtampa priklauso tik nuo vieno dalyko – apkrovos pasipriešinimo.
Jei turime idealų droselį ir jei nėra apkrovos, tada išėjimo įtampa bus be galo didelė, bet mes turime reikalą su droseliu, kuris toli gražu nėra idealus, todėl be apkrovos įtampa bus tiesiog labai didelė, galbūt toks didelis, kad įvyks oro arba dielektriko gedimas tarp OUTPUT gnybto ir bendro laido, o greičiau tranzistorius.

Jei droselis nori išleisti visą sukauptą energiją (atėmus nuostolius), tai kaip reguliuoti įtampą tokių keitiklių išėjime?
Tai labai paprasta – sukaupti induktoryje tiksliai tiek energijos, kiek reikia norint sukurti reikiamą įtampą esant žinomai apkrovos varžai.
Sukaupta energija koreguojama pagal impulsų, kurie atidaro tranzistorių, trukmę (laiką, per kurį tranzistorius yra atidarytas).

Droselyje esančiame keitiklyje vyksta lygiai tokie patys procesai, tačiau tokiu atveju, atidarius tranzistorių, droselis neleidžia išėjimo įtampai akimirksniu padidėti, o jį uždarius, sukauptą energiją išleidžia. viena pusė per diodą VD1, o kita - per apkrovą, prijungtą prie IŠĖJIMO, palaiko įtampą OUTPUT gnybte.
Įtampa tokio keitiklio išėjime negali būti didesnė nei + PIT įtampa.

Perjungimo įtampos keitikliai su transformatoriais

Pati transformacija vyksta transformatoriuje, o ant lygintuvo tai nesvarbu - žemiems dažniams; arba ant ferito – nuo ​​1 kHz iki 500 ir daugiau kHz.
Procesų esmė visada ta pati: jei pirmoje transformatoriaus apvijoje yra 10 apsisukimų, o antroje 20 ir pirmajam taikome 10 voltų kintamąją įtampą, tada antroje gausime kintamą. to paties dažnio, bet 20 voltų įtampa ir atitinkamai 2 kartus mažesne srove nei patenka į pirmąją apviją.

Tai reiškia, kad užduotis yra gauti kintamąją įtampą, kuri turi būti tiekiama pirminei apvijai, iš nuolatinės srovės šaltinio, tiekiančio keitiklį.

Tai veikia taip:
kai tranzistorius T1 atidarytas, srovė teka per viršutinę apvijos pusę - L1.1, tada tranzistorius T1 užsidaro ir tranzistorius T2 atsidaro, srovė pradeda tekėti per apatinę apvijos pusę - L1.2, kadangi viršutinė apvijos pusė L1 yra sujungta su savo galu su + PIT apatine pradžia, tada transformatoriaus šerdyje esantis magnetinis laukas, kai atsidaro T1, teka viena kryptimi, o kai atsidaro T2, atitinkamai kita kryptimi , antrinėje apvijoje L2 sukuriama kintamoji įtampa.
L1.1 ir L1.1 daromi kuo identiškesni vienas kitam.
Privalumai:
Didelis efektyvumas dirbant nuo žemos maitinimo įtampos (per kiekvieną apvijos pusę ir tranzistorių teka tik pusė reikiamos srovės).
Trūkumai:
Įtampos šuoliai tranzistorių kanaluose lygūs dvigubai maitinimo įtampai (pavyzdžiui, kai T1 atidarytas, o T2 uždarytas, tada srovė teka į L1.1, savo ruožtu į L1.2, magnetinis laukas sukuria įtampą, lygią L1.1 įtampa, kuri, susumavus su maitinimo šaltinio įtampa, veikia uždarą T2).
Tai yra, reikia pasirinkti tranzistorius didesnei leistinai maksimaliai įtampai.
Taikymas:
Keitikliai, maitinami žema įtampa (apie 12 voltų).

Tai veikia taip:
kai tranzistorius T1 atidarytas, srovė teka per pirminę transformatoriaus (L1) apviją įkraunant kondensatorių C2, tada jis atitinkamai užsidaro ir atidaro T2, dabar srovė teka per L1 priešinga kryptimi, iškraunant C2 ir įkraunant C1. .
Trūkumai:
Į transformatoriaus pirminę apviją tiekiama įtampa yra du kartus mažesnė už + PIT įtampą.
Privalumai:
Taikymas:
Keitikliai, maitinami buitinio apšvietimo tinklo, maitinimo šaltiniai (pvz.: kompiuterių maitinimo šaltiniai).

Tai veikia taip:
kai tranzistoriai T1 ir T4 yra atviri, srovė teka per pirminę transformatoriaus apviją viena kryptimi, tada jie užsidaro ir atsidaro T2 ir T3, srovė per pirminę apviją pradeda tekėti priešinga kryptimi.
Trūkumai:
Poreikis įdiegti keturis galingus tranzistorius.
Padvigubinkite tranzistorių įtampos kritimą (pridedama įtampa krinta gretimuose T1-T4 / T2-T3 tranzistorių).
Privalumai:
Pilna maitinimo įtampa pirminėje apvijoje.
Trūksta dvigubų įtampos šuolių, būdingų „push-pool“.
Taikymas:
Galingi keitikliai, maitinami buitinio apšvietimo tinklo, maitinimo šaltinių (pvz.: impulsinio suvirinimo „transformatoriai“).

Dažnos transformatorių keitiklių problemos yra tos pačios, kaip ir keitiklių, pagrįstų saugojimo droseliais: šerdies prisotinimas; laido, iš kurio gaminamos apvijos, varža; tranzistorių veikimas tiesiniu režimu.

Skrydžio atgal ir pirmyn impulsų keitikliai

„Flyback“ ir „Flyback“ impulsų įtampos keitikliai yra „hibridai“ iš keitiklio, kurio pagrindas yra saugojimo droselis ir transformatorius, nors iš esmės tai yra keitiklis, pagrįstas saugojimo droseliu ir niekada nereikėtų to pamiršti.
Tokio keitiklio veikimo principas yra panašus į pakopinį keitiklį ant saugojimo droselio, tik tas skirtumas, kad apkrova yra prijungta ne tiesiai prie droselio, o su kita apvija, apvyniota aplink patį droselį.
Kaip ir naudojant padidinimo keitiklį, jei jis įjungtas be apkrovos, jo išėjimo įtampa bus maksimali.
Trūkumai:
Įtampa kyla per raktinį tranzistorių, todėl reikia naudoti raktinius tranzistorius, kai įtampa gerokai viršija + PIT.
Aukšta įtampa išėjime be apkrovos.
Privalumai:
Maitinimo grandinės ir apkrovos grandinės galvaninė izoliacija.
Jokių nuostolių, susijusių su šerdies įmagnetinimo keitimu (magnetinis laukas visada teka šerdyje viena kryptimi).

Reiškiniai, į kuriuos reikia atsižvelgti projektuojant įtampos keitiklius (ir apskritai impulsinius įrenginius)

Šerdies prisotinimas (magnetinė grandinė)- momentas, kai droselio arba transformatoriaus šerdies magnetiškai laidžioji medžiaga jau yra tiek įmagnetinta, kad nebeveikia droselyje ar transformatoriuje vykstančių procesų. Kai šerdis yra prisotinta, ant jos esančių apvijų induktyvumas greitai krenta, o srovė per pirmines apvijas pradeda didėti, o maksimalią srovę riboja tik apvijos laido varža ir ji pasirenkama kuo mažesnė galimas, atitinkamai, prisotinimas bent jau sukelia kaitinimą ir induktoriaus bei galios tranzistoriaus apvijas, maksimaliai galios tranzistoriaus sunaikinimą.

Vielos apvijos varža- įtraukia nuostolius į procesą, nes neleidžia kaupti ir išleisti energijos magnetiniame lauke, sukelia induktoriaus apvijos laido kaitinimą.
Sprendimas: naudokite minimalios varžos laidą (storesnį laidą, laidą iš medžiagų, kurių savitoji varža maža).

Galios tranzistorių veikimas tiesiniu režimu- jei signalo generatorius, naudojamas tranzistoriams valdyti, duoda ne stačiakampius, o impulsus, kurių įtampa lėtai kyla ir mažėja, o tai gali būti, jei galios tranzistorių užtūros talpa yra didelė, o vairuotojas (specialus stiprintuvas) ​negali tiekti didelės srovės šiai talpai įkrauti, kartais tranzistorius veikia tiesiniu režimu, ty turi tam tikrą varžą, kuri skiriasi nuo nulio ir yra be galo didelė, todėl per jį teka srovė ir įkaista ant jo išsiskiria, blogindamas keitiklio efektyvumą.

Konkrečios įtampos keitiklių, naudojančių transformatorius, problemos

Tačiau šios problemos būdingos bet kuriam įrenginiui, turinčiam galingą „push-pull“ išvesties stadiją.

Per srovę
Kaip pavyzdį apsvarstykite pusiau tilto grandinę - jei dėl kokių nors priežasčių tranzistorius T2 atsidaro anksčiau, nei T1 visiškai užsidarė, tada iš + PIT į bendrą laidą bus pertraukiama srovė, kuri tekės per abu tranzistorius, o tai sukels nenaudingą šilumą. karta ant jų.
Sprendimas: sukurti uždelsimą tarp potencialo įėjime G1 sumažėjo iki nulio (žr. pusiau tilto diagramą) ir potencialo įėjime G2 padidėjo.
Šis delsos laikas vadinamas negyvu laiku ir gali būti grafiškai pavaizduotas oscilograma:

Millerio efektas
Vėlgi, apsvarstykite galimybę naudoti pustilto pavyzdį - kai atsidaro tranzistorius T1, į tranzistorių T2 patenka įtampa, kuri greitai didėja (atsidarymo greičiui T1), nes ši įtampa yra didelė, tada net maža. vidinė talpa tarp vartų ir šaltinio įkraunant sukuria didelį potencialą prie vartų, kurie atidaro T2, nors ir trumpam, bet sukuria praleidžiančią srovę, net ir esant mirčiai.
Sprendimas: galingų tranzistorių tvarkyklių, galinčių ne tik duoti, bet ir priimti dideles sroves, naudojimas.

Ką reikia atsiminti

„Buck“ keitiklis su saugojimo droseliu, pusiau tiltas ir tiltas yra grandinės, kurios nėra tokios paprastos, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio, visų pirma dėl to, kad tranzistoriaus šaltinis yra „back“ keitiklyje ir viršutinių tranzistorių šaltiniai tilte. ir pusiau tiltas yra maitinami.
Kaip žinome, valdymo įtampa tranzistoriaus vartams turi būti taikoma jo šaltinio atžvilgiu, o bipolinė - pagrindui emiterio atžvilgiu.
Sprendimai:
Naudojant galvaniškai izoliuotus maitinimo šaltinius vartų grandinėms (bazėms):

Generatorius G1 generuoja priešfazinius signalus ir formuoja dedtime, lauko tranzistorių U1 ir U2 tvarkykles, optronas galvaniškai atjungia viršutinės tvarkyklės įvesties grandinę nuo generatoriaus išėjimo, kuris maitinamas kita transformatoriaus apvija.

Tipiška tokios grandinės galios dalis parodyta 10 paveiksle.

10 pav.

Kondensatorius įkraunamas iki maždaug 310 V (340 V – 240 V) esant 220 V kintamajai galiai. Rezistorius R1 yra mažos varžos rezistorius (nominalioji 2–4 omų varža), apsauganti grandinę nuo srovės viršįtampių, kai įkraunamas kondensatorius C1 įjungimo metu. Q1 yra aukštos įtampos MOSFET, kuris naudojamas kaip didelės spartos jungiklis, perjungiantis maitinimo srovės impulsą aukšto dažnio ferito transformatoriuje T1. Perjungimo dažnis paprastai yra nuo 25 iki 250 kHz. Elementai R2 ir C2 sudaro slopintuvą, kuris sumažina įtampos šuolius ir jungiklio triukšmą. Stabilizavimas pasiekiamas valdant išėjimo įtampą taške "FB" ir reguliuojant Q1 rakto tvarkyklės įvesties impulsų plotį. Saugiklis FS2 reikalingas apsaugai nuo trumpojo jungimo ir perkrovos. FS2 kartais pakeičiamas srovės jutikliu, kuris perkrovus užrakina Q1 rakto tvarkyklę.

4 impulsų keitikliai

Reguliuojamame linijiniame maitinimo šaltinyje izoliacijai naudojamas galios dažnio galios transformatorius, o tada išėjimo įtampai generuoti naudojamas lygintuvas ir linijinis reguliatorius.

Valdomame SMPS izoliacija ir reguliavimas yra sujungti į vieną aukšto efektyvumo įrenginį. SMPS naudojamas mažas aukšto dažnio transformatorius, paprastai veikiantis nuo 25 iki 250 kHz dažnių diapazone (nors mažos galios SMPS yra iki 1 MHz).

SMPS naudojami transformatoriai ir droseliai turi ferito šerdis, o ne žemesnio dažnio analogų lakštines šerdis. SMPS transformatorių apvijos paprastai turi mažiau apsisukimų nei galios dažnio transformatorių.

4.1 Vienpusis įtampos keitiklis

Vienpusiame įtampos keitiklyje yra transformatorius, kurio pirminė apvija susideda iš dviejų dalių su vijų skaičiumi w1 ir w2, pirmasis tranzistorius prijungtas prie valdymo bloko, o antrasis tranzistorius šuntuotas atvirkštiniu diodu. Tarp tranzistorių emiterių yra prijungtas kondensatorius. Pirmojo ir antrojo tranzistorių kolektoriai yra prijungti prie transformatoriaus apvijų kraštinių gnybtų. Be to, pirmojo tranzistoriaus kolektorius yra prijungtas prie antrojo tranzistoriaus valdymo įvesties per rezistorių, šuntą nuoseklia RC grandine, sudarydama srovės nustatymo grandinę.

Bet kokie kiti pagrindiniai elementai, pavyzdžiui, MOS tranzistoriai ir pan., gali būti naudojami kaip pirmasis ir antrasis šio keitiklio tranzistorius.

Vienpusis nuolatinės srovės įtampos keitiklis veikia taip.

Kai atrakinimo signalas patenka į tranzistoriaus pagrindą, pastarasis atsidaro, transformatoriaus apvijai yra įvedama įėjimo įtampa. Tokiu atveju į tranzistoriaus valdymo sandūrą įvedama blokavimo įtampa, kuri praktiškai lygi kondensatoriaus įtampai, ir ji užrakinama. Transformatoriaus šerdies įmagnetinimo srovių ir apkrovos suma teka per antrąjį tranzistorių. Pasibaigus valdymo impulsui, tranzistorius išjungiamas, įmagnetinimo srovė uždaroma per diodą, kondensatorių ir apviją. Antrojo tranzistoriaus valdymo elektrodui įvedama atrakinimo įtampa, lygi skirtumui tarp pirmojo tranzistoriaus kolektoriaus įtampos ir kondensatoriaus įtampos. Įsijungia antrasis tranzistorius, leidžiantis įmagnetinimo srovei tekėti priešinga kryptimi.

Kondensatoriaus dėka įmagnetinimo srovė nepertraukiamai teka per visą impulsų pasikartojimo laikotarpį iš valdymo bloko ir vidutinė šios srovės vertė lygi nuliui. Tai lemia tai, kad išmagnetinimo įtampa apvijai taikoma per visą pirmojo tranzistoriaus uždaros būsenos laiką, o transformatoriaus šerdies įmagnetinimo atsukimas atliekamas per visą ciklą su maža įmagnetinimo srovės amplitude. .

Taigi siūlomame įrenginyje į papildomo rakto valdymo grandinę įtraukto rezistoriaus galios nuostoliai sumažinami sumažinus jame esančią įtampą.

4.2 Impulsinis vieno galo nuolatinės srovės įtampos keitiklis . Konverteris.

Impulsiniai nuolatinės srovės įtampos keitikliai (DCP) reguliuoja išėjimo įtampą (įtampą visoje apkrovoje), keisdami laiką, kai įtampa Uo taikoma apkrovai Zн. Dažniausiai naudojami impulsų pločio (WIR) ir impulsų dažnio (CHIR) valdymo metodai. IPPN veikimo principas pagrįstas tranzistoriaus arba tiristoriaus raktiniu režimu, kuris periodiškai pertraukia grandinę, tiekiančią įtampą U0 į apkrovą (11 pav.). Impulso pločio metodu išėjimo įtampa reguliuojama keičiant išėjimo impulsų trukmę ti (12 pav.) su pastoviu jų pasikartojimo periodu T. Tada vidutinė keitiklio išėjimo įtampos vertė bus nustatyta pagal formulė Un.av = (ti / T) * Uо. Todėl išėjimo įtampa reguliuojama nuo nulio (kai ti = 0) iki Uо (ti = T).

11 pav.

12 pav.

13 paveiksle parodyta plačiai paplitusi diagrama IPPI... Toks keitiklis vadinamas viengaliu. Tiristorius tarnauja kaip raktas. Tarp apkrovų Z o tiristoriuje yra LC išlyginamasis filtras.

13 pav.

Diodas D, kuris atlieka atvirkštinio diodo funkcijas, yra būtinas norint sukurti apkrovos srovės elektros grandinę, kai tiristorius išjungtas.

Vieno ciklo IPPN veikia esant 100 kW galiai. Jei reikia daugiau galios, jie griebiasi kelių ciklų STI.

Visuose IPPN laidininkų jungiklių atrakinimas atliekamas priverstinai tiekiant perjungimo impulsus į tiristorių (tranzistorių), o tiristoriai užrakinami periodiškai įkraunamo kondensatoriaus įtampa. Natūralu, kad IPPN perjungimo blokas šiek tiek skiriasi nuo panašių autonominių keitiklių blokų.

Atkreipkite dėmesį, kad nuolatinė apkrovos įtampa, kai maitinama iš kintamosios srovės tinklo, gali būti reguliuojama naudojant IPPN. Nedidelis įtampos kritimas atvirame puslaidininkiniame jungiklyje ir labai maža srovė, kai jis užrakintas, lemia aukštą nuolatinės įtampos impulsų keitiklių efektyvumą. Šiuo atžvilgiu nekontroliuojamas lygintuvas, suporuotas su IPPC, sėkmingai konkuruoja su valdomu lygintuvu.

Impulsinių nuolatinės srovės įtampos keitiklių pranašumas lyginant su savaiminio sužadinimo keitikliais yra tas, kad IPPN kaip jungikliai naudojami tiristoriai, kurie šiuo metu gaminami iki kelių kilovoltų įtampai. Tai leidžia sukurti didelės galios (virš 100 kW) didelio efektyvumo, mažesnių matmenų ir svorio keitiklius. Keitikliai plačiai naudojami įrenginiuose, kuriuose pagrindinis maitinimo šaltinis yra kontaktinis tinklas, akumuliatoriai, saulės ir atominės baterijos, termoelektriniai generatoriai.

5. Išvada

5.1 Elektromagnetiniai ir radijo trukdžiai iš SMPS

Yra žinoma, kad perjungiami maitinimo šaltiniai sukelia elektromagnetinius ir radijo trikdžius. Žemo dažnio filtrai švino laiduose yra gyvybiškai svarbūs siekiant sumažinti linijos paėmimą. Faradėjaus ekranas tarp transformatoriaus apvijų ir aplink jautrius komponentus kartu su teisinga padėtimi lauko kompensavimo grandinės bloke taip pat sumažina EMI ir RFI. Pjūklų srovės išlyginimo problema reikalauja naudoti filtro kondensatorių. Standartinių elektrolitinių kondensatorių induktyvumas ir varža (nuosekliai) įtakoja pulsaciją ir įtampos triukšmą išėjimo signaluose. Linijiniai maitinimo šaltiniai yra neprilygstami mažos galios ir labai mažo triukšmo bei mažo išėjimo pulsavimo atžvilgiu.

5.2 Integriniai grandynai, skirti SMPS

Mullardas:

TDA2640

TDA2581

SGS:

L4960

Įėjimo įtampos diapazonas - 9 - 50 VDC

Reguliuojama išėjimo įtampa – nuo ​​5 iki 40 V

Maksimali išėjimo srovė – 2,5 A

Maksimali išėjimo galia – 100 W

Integruota minkšto paleidimo grandinė

Vidinis atskaitos stabilumas – + \ – 4 %

Reikia labai nedaug papildomų komponentų

Užpildymo koeficientas – 0–1

Didelis efektyvumas – daugiau nei 90 proc.

Integruota šiluminės perkrovos apsauga: mikroschema išjungiama, kai pn sandūros temperatūra pasiekia 150 laipsnių. C.

Integruotas srovės ribotuvas, apsaugantis nuo trumpojo jungimo

L4962 (16 kontaktų DIP paketas. Išėjimo srovė iki 1,5 A)

L4964 (15 kontaktų specialus dėklas. Išėjimo srovė iki 4 A)

Teksaso instrumentai:

494 TL

497 TL

TL497 turi fiksuotą veikimo laiko generatorių su kintamu išėjimo dažniu. Taip gaunamas minimalus priedų skaičius. Įjungimo laikas nustatomas pagal kondensatoriaus, prijungto tarp 3 kaiščio ir žemės, talpos vertę.

14 pav.

5.3 Pakartotinio SMPS įjungimo režimas

Perjungiant maitinimo šaltinius, šis režimas dažnai naudojamas apriboti išėjimo srovę. Jei SMPS yra perkrautas, grandinė išsijungia. Po kurio laiko jis įsijungia, jei perkrova vis dar yra, iškart išsijungia. Kai kuriose konstrukcijose, jei taip nutinka kelis kartus, maitinimas išjungiamas, kol išvalomas grandinės užraktas.

5.4 SMPS su maitinimo palaikymu

Kai kurie „labiau savarankiški“ SMPS yra skirti palaikyti pastovią išėjimo įtampą ilgiau nei keletą laikotarpių, kai atjungiama įvesties galia. Tai galima pasiekti sumontavus didelį įvesties kondensatorių, kad jo įtampa labai nesumažėtų nutrūkus elektrai. Laikotarpis, per kurį SMPS palaiko išėjimo įtampą, kai nėra įėjimo įtampos, dažnai vadinamas „sulaikymo laiku“.

6 Literatūra

1. INTERNETAS:

SGS maitinimo šaltinio taikymo vadovas

Motorola Power MOSFET tranzistorių duomenų knyga

Unitrode Semiconductor Databook

Unitrode programų vadovas

Transformatoriaus šerdies pasirinkimas SMPS, Mullard

Minkštieji feritai – savybės ir pritaikymas, E.C. Snelingas

Switchmode – dizainerio vadovas, „Motorola“.

SMPS technologija ir komponentai, Siemens

Teksaso instrumentų linijinių grandinių duomenų knyga

Analoginės elektronikos vadovas, T.H. Collinsas

Smithas, K.L. Ph.D. (Kento universitetas), "D.C. Supplies from A.C. Sources", Electronics & Wireless World, 1984 m. rugsėjis.

Ivanovas V.S., Panfilovas D.I. Jėgos elektronikos komponentai iš MOTOROLA. - M .: DODEKA, 1998 m

Power Semiconductors International lygintuvas. Per. p / r V.V. Tokarevas. - Voronežas, 1995 m

Perjungimo maitinimo šaltinių mikroschemos ir jų taikymas. Red. 2-oji. - M .: DODEKA, 2000 m

Polikarpovas A.G., Sergienko E.F. Vienpusiai įtampos keitikliai maitinimo šaltiniuose CEA. - M .: Radijas ir ryšys, 1989 m

Polikarpovas A.G., Sergienko E.F. Perjungimo reguliatoriai ir nuolatinės srovės įtampos keitikliai. - M .: MEI leidykla, 1998 m

DC / DC keitikliai plačiai naudojami įvairiai elektroninei įrangai maitinti. Jie naudojami skaičiavimo įrenginiuose, ryšio įrenginiuose, įvairiose valdymo ir automatizavimo schemose ir kt.

Transformatorių maitinimo šaltiniai

Tradiciniuose transformatoriniuose maitinimo šaltiniuose maitinimo tinklo įtampa transformatoriaus pagalba paverčiama, dažniausiai sumažinama, iki pageidaujamos vertės. Nepakankama įtampa ištaisoma diodiniu tilteliu ir išlyginama kondensatoriaus filtru. Jei reikia, po lygintuvo įrengiamas puslaidininkinis stabilizatorius.

Transformatorių maitinimo šaltiniai dažniausiai būna su linijiniais stabilizatoriais. Tokių stabilizatorių privalumai yra mažiausiai du: jie yra maža kaina ir nežymus dalių kiekis juostelėje. Tačiau šiuos pranašumus praranda mažas efektyvumas, nes nemaža dalis įvesties įtampos naudojama reguliuojančiam tranzistoriui šildyti, o tai visiškai nepriimtina nešiojamiems elektroniniams prietaisams maitinti.

DC / DC keitikliai

Jei įranga maitinama iš galvaninių elementų arba baterijų, tada įtampos konvertavimas į reikiamą lygį galimas tik DC / DC keitiklių pagalba.

Idėja gana paprasta: nuolatinė įtampa paverčiama kintamąja įtampa, kaip taisyklė, kelių dešimčių ar net šimtų kilohercų dažniu, didėja (sumažėja), o tada ištaisoma ir tiekiama į apkrovą. Tokie keitikliai dažnai vadinami impulsiniais keitikliais.

Pavyzdys yra padidinimo keitiklis nuo 1,5 V iki 5 V, tik kompiuterio USB išvesties įtampa. Panašus mažos galios keitiklis parduodamas „Aliexpress“ - http://ali.pub/m5isn.

Ryžiai. 1. Keitiklis 1,5V / 5V

Impulsų keitikliai yra geri, nes turi didelį efektyvumą, 60...90%. Kitas perjungiamųjų keitiklių privalumas – platus įėjimo įtampų diapazonas: įėjimo įtampa gali būti mažesnė nei išėjimo įtampa arba daug didesnė. Paprastai DC / DC keitiklius galima suskirstyti į kelias grupes.

Konverterių klasifikacija

Žemyn, angliškai kalbant, step-down arba buck

Šių keitiklių išėjimo įtampa, kaip taisyklė, yra mažesnė už įėjimo įtampą: be ypatingų nuostolių reguliuojančio tranzistoriaus šildymui, esant 12 ... 50 V įėjimo įtampai, galima gauti tik kelių voltų įtampą. Tokių keitiklių išėjimo srovė priklauso nuo apkrovos poreikio, o tai savo ruožtu lemia keitiklio grandinę.

Kitas angliškas pūkų keitiklio pavadinimas yra chopper. Viena iš šio žodžio vertimo parinkčių yra pertraukiklis. Techninėje literatūroje bako keitiklis kartais vadinamas "smulkintuvu". Tik kol kas prisiminkime šį terminą.

Didėjantis, angliškai tariant, step-up arba boost

Šių keitiklių išėjimo įtampa yra didesnė už įėjimo įtampą. Pavyzdžiui, esant 5 V įėjimo įtampai, išėjime galima gauti iki 30 V įtampą, be to, galima sklandžiai reguliuoti ir stabilizuoti. Gana dažnai stiprinimo keitikliai vadinami stiprintuvais.

Universalūs keitikliai - SEPIC

Šių keitiklių išėjimo įtampa išlaikoma tam tikrame lygyje esant įėjimo įtampai tiek virš įėjimo, tiek žemiau įėjimo įtampos. Rekomenduojama tais atvejais, kai įėjimo įtampa gali labai skirtis. Pavyzdžiui, automobilyje akumuliatoriaus įtampa gali svyruoti 9 ... 14 V ribose, tačiau būtina norint gauti stabilią 12 V įtampą.

Invertuojantys keitikliai – invertuojantys keitikliai

Pagrindinė šių keitiklių funkcija yra gauti atvirkštinio poliškumo išėjimo įtampą maitinimo šaltinio atžvilgiu. Tai labai patogu tais atvejais, kai reikia, pavyzdžiui, dvipolio maitinimo.

Visi paminėti keitikliai gali būti stabilizuoti arba nestabilizuoti, išėjimo įtampa gali būti galvaniškai prijungta prie įėjimo įtampos arba turėti galvaninę įtampų izoliaciją. Viskas priklauso nuo konkretaus įrenginio, kuriame bus naudojamas keitiklis.

Norėdami pereiti prie tolesnės istorijos apie DC / DC keitiklius, bent jau bendrai turėtumėte suprasti teoriją.

Chopper down konverteris - buck tipo konverteris

Jo funkcinė schema parodyta paveikslėlyje žemiau. Rodyklės ant laidų rodo srovių kryptis.

2 pav. Smulkintuvo stabilizatoriaus funkcinė schema

Įvesties įtampa Uin tiekiama į įvesties filtro kondensatorių Cin. VT tranzistorius naudojamas kaip pagrindinis elementas, jis atlieka aukšto dažnio srovės perjungimą. Tai gali būti MOSFET, IGBT arba įprastas bipolinis tranzistorius. Be šių detalių, grandinėje yra išlydžio diodas VD ir išėjimo filtras - LCout, iš kurio įtampa tiekiama į apkrovą Rн.

Nesunku pastebėti, kad apkrova nuosekliai sujungta su elementais VT ir L. Todėl grandinė yra nuosekli. Kaip krenta įtampa?

Impulso pločio moduliavimas – PWM

Valdymo grandinė gamina pastovaus dažnio arba pastovaus periodo stačiakampius impulsus, kurie iš esmės yra tas pats dalykas. Šie impulsai parodyti 3 paveiksle.

3 pav. Kontroliuoti impulsus

Čia t yra impulso laikas, tranzistorius atidarytas, tp yra pauzės laikas, - tranzistorius uždarytas. Santykis ti / T vadinamas darbo ciklo darbo ciklu, jis žymimas raide D ir išreiškiamas %% arba tiesiog skaičiais. Pavyzdžiui, kai D lygus 50%, paaiškėja, kad D = 0,5.

Taigi D gali svyruoti nuo 0 iki 1. Kai reikšmė D = 1, jungiklio tranzistorius yra visiško laidumo būsenoje, o kai D = 0, išjungimo būsenoje, jis, paprasčiausiai tariant, yra uždarytas. Nesunku atspėti, kad kai D = 50%, išėjimo įtampa bus lygi pusei įėjimo įtampos.

Visiškai akivaizdu, kad išėjimo įtampos reguliavimas vyksta keičiant valdymo impulso plotį t ir, tiesą sakant, keičiant koeficientą D. Šis reguliavimo principas vadinamas (PWM). Beveik visuose perjungimo maitinimo šaltiniuose išėjimo įtampa stabilizuojama PWM pagalba.

2 ir 6 paveiksluose pateiktose diagramose PWM yra „paslėptas“ stačiakampiuose, pažymėtuose „Valdymo grandinė“, kuris atlieka kai kurias papildomas funkcijas. Pavyzdžiui, tai gali būti švelnus išėjimo įtampos paleidimas, nuotolinis įjungimas arba keitiklio apsauga nuo trumpojo jungimo.

Apskritai keitikliai naudojami taip plačiai, kad elektroninių komponentų gamintojai pradėjo gaminti PWM valdiklius visoms progoms. Asortimentas toks didelis, kad norint juos išvardyti, prireiks visos knygos. Todėl niekam nekyla mintis montuoti keitiklius ant atskirų elementų arba kaip dažnai sakoma „biria pudra“.

Be to, paruoštus mažos galios keitiklius galite nusipirkti „Aliexpress“ ar „Ebay“ už nedidelę kainą. Tuo pačiu metu, norint įrengti mėgėjų dizainą, pakanka įvesties ir išvesties laidus lituoti prie plokštės ir nustatyti reikiamą išėjimo įtampą.

Bet grįžtame prie mūsų 3 paveikslo. Šiuo atveju koeficientas D nustato, kiek laiko jis bus atidarytas (1 fazė) arba uždarytas (2 fazė). Šių dviejų fazių diagrama gali būti pavaizduota dviem skaičiais. Paveiksluose NERODYTI elementai, kurie nenaudojami šiame etape.

4 pav. Fazė 1

Kai tranzistorius atidarytas, srovė iš maitinimo šaltinio (galvaninio elemento, akumuliatoriaus, lygintuvo) praeina per indukcinį droselį L, apkrovą Rн ir įkrovimo kondensatorių Cout. Šiuo atveju per apkrovą teka srovė, kondensatorius Cout ir droselis L kaupia energiją. Srovė iL LAIPSNIAI DIDĖJA, veikia droselio induktyvumo įtaka. Ši fazė vadinama siurbimu.

Kai įtampa visoje apkrovoje pasiekia iš anksto nustatytą vertę (nustatoma valdymo įtaiso nustatymu), tranzistorius VT užsidaro ir įrenginys pereina į antrąją fazę - iškrovos fazę. Uždarytas tranzistorius paveiksle visai nepavaizduotas, tarsi jo nebūtų. Bet tai reiškia tik tai, kad tranzistorius išjungtas.

5 pav. 2 fazė

Kai tranzistorius VT uždarytas, energijos papildymas droselyje nevyksta, nes maitinimas yra atjungtas. Induktyvumas L neleidžia keisti srovės (saviindukcijos), tekančios per induktoriaus apviją, dydžio ir krypties.

Todėl srovė negali akimirksniu sustoti ir yra uždaroma per "diodo apkrovos" grandinę. Dėl šios priežasties VD diodas vadinamas išlydžio diodu. Paprastai tai yra didelės spartos Schottky diodas. Pasibaigus valdymo periodui 2 fazei grandinė persijungia į 1 fazę, procesas kartojamas dar kartą. Didžiausia nagrinėjamos grandinės išėjimo įtampa gali būti lygi įėjimo įtampai ir nieko daugiau. Norint gauti didesnę nei įėjimo įtampą, naudojami stiprinimo keitikliai.

Kol kas tereikia prisiminti tikrąją induktyvumo vertę, kuri lemia du smulkintuvo veikimo režimus. Esant nepakankamam induktyvumui, keitiklis veiks trūkimo srovių režimu, o tai visiškai nepriimtina maitinimo šaltiniams.

Jei induktyvumas yra pakankamai didelis, tada veikimas vyksta nuolatinių srovių režimu, o tai leidžia naudojant išėjimo filtrus gauti pastovią įtampą su priimtinu pulsacijos lygiu. Nuolatinių srovių režimu taip pat veikia stiprinimo keitikliai, kurie bus aptarti toliau.

Norint šiek tiek padidinti efektyvumą, išlydžio diodas VD pakeičiamas MOSFET tranzistoriumi, kurį reikiamu metu atidaro valdymo grandinė. Tokie keitikliai vadinami sinchroniniais. Jų naudojimas yra pateisinamas, jei keitiklio galia yra pakankamai didelė.

Padidinkite keitiklius

Pakopiniai keitikliai daugiausia naudojami žemos įtampos maitinimui, pavyzdžiui, iš dviejų ar trijų baterijų, o kai kuriems konstrukcijos komponentams reikalinga 12 ... 15 V įtampa esant mažam srovės suvartojimui. Gana dažnai stiprinimo keitiklis trumpai ir aiškiai vadinamas žodžiu „stiprintuvas“.

6 pav. Stiprinimo keitiklio funkcinė schema

Įėjimo įtampa Uin tiekiama į įvesties filtrą Cin ir tiekiama į nuosekliai sujungtą L ir perjungimo tranzistorių VT. Prie ritės ir tranzistoriaus nutekėjimo jungties taško prijungtas diodas VD. Apkrova Rн ir apėjimo kondensatorius Cout yra prijungti prie kito diodo gnybto.

VT tranzistorius valdomas valdymo grandine, kuri generuoja stabilų dažnio valdymo signalą su reguliuojamu darbo ciklu D, taip pat, kaip aprašyta aukščiau, aprašant skeltuvo grandinę (3 pav.). VD diodas tinkamu laiku blokuoja jungiklio tranzistoriaus apkrovą.

Kai jungiklio tranzistorius atidarytas, dešinė L ritės pusė yra prijungta prie neigiamo maitinimo šaltinio Uin poliaus. Didėjanti srovė (paveikia induktyvumo įtaka) iš maitinimo šaltinio teka per ritę ir atvirą tranzistorių, energija kaupiasi ritėje.

Šiuo metu VD diodas blokuoja apkrovą ir išėjimo kondensatorių iš jungiklio grandinės, taip neleisdamas išvesties kondensatoriui išsikrauti per atvirą tranzistorių. Šiuo metu apkrovą maitina kondensatoriuje Cout sukaupta energija. Natūralu, kad išėjimo kondensatoriaus įtampa krenta.

Kai tik įtampa išėjime tampa šiek tiek mažesnė už nurodytą (nustatoma pagal valdymo grandinės nustatymus), raktinis tranzistorius VT uždaromas, o induktoryje sukaupta energija per diodą VD įkrauna kondensatorių Cout. , kuris tiekia krovinį. Šiuo atveju ritės L saviindukcijos EMF pridedamas prie įėjimo įtampos ir perkeliamas į apkrovą, todėl išėjimo įtampa yra didesnė už įėjimo įtampą.

Kai išėjimo įtampa pasiekia nustatytą stabilizavimo lygį, valdymo grandinė atidaro tranzistorių VT, o procesas kartojamas nuo energijos kaupimo fazės.

Universalūs keitikliai – SEPIC (vieno galo pirminio induktoriaus keitiklis arba keitiklis su asimetriškai apkrautu pirminiu induktyvumu).

Tokie keitikliai dažniausiai naudojami, kai apkrova turi mažą galią, o įėjimo įtampa keičiasi išėjimo įtampos atžvilgiu aukštyn arba žemyn.

7 pav. SEPIC keitiklio funkcinė schema

Labai panašus į 6 pav. parodytą stiprinimo keitiklį, bet su papildomais elementais: kondensatoriumi C1 ir ritė L2. Būtent šie elementai užtikrina keitiklio veikimą įtampos mažinimo režimu.

SEPIC keitikliai naudojami, kai įvesties įtampa labai skiriasi. Pavyzdys yra 4V-35V iki 1,23V-32V Boost Buck Voltage Step Up / Down keitiklio reguliatorius. Būtent šiuo pavadinimu Kinijos parduotuvėse parduodamas keitiklis, kurio grandinė parodyta 8 paveiksle (norėdami padidinti, spustelėkite paveikslėlį).

8 pav. SEPIC keitiklio schema

9 paveiksle parodyta lentos išvaizda su pagrindinių elementų žymėjimu.

9 pav. Išorinis SEPIC keitiklio vaizdas

Paveikslėlyje parodytos pagrindinės dalys pagal 7 pav. Atkreipkite dėmesį, kad yra dvi ritės L1 L2. Remdamiesi tuo, galite nustatyti, kad tai SEPIC keitiklis.

Plokštės įėjimo įtampa gali būti 4…35 V diapazone. Tokiu atveju išėjimo įtampą galima reguliuoti 1,23 ... 32 V diapazone. Keitiklio veikimo dažnis 500KHz.Nedidelio 50x25x12mm dydžio plokštė suteikia galią iki 25W. Maksimali išėjimo srovė iki 3A.

Bet čia reikia padaryti pastabą. Jei nustatyta 10 V išėjimo įtampa, išėjimo srovė negali būti didesnė nei 2,5 A (25 W). Kai išėjimo įtampa yra 5 V, o didžiausia srovė - 3 A, galia bus tik 15 W. Čia svarbiausia nepersistengti: arba neviršykite didžiausios leistinos galios, arba neviršykite leistinos srovės.

Dar visai neseniai labiausiai paplitęs maitinimo šaltiniai turėjo transformatoriaus grandinė su lygintuvu ir talpiniu filtru. Laikui bėgant juos išstūmė maitinimo šaltiniai, pagrįsti perjungimo keitikliais. Perjungiami maitinimo šaltiniai palankiai skiriasi didesniu galios tankiu. Aukšto dažnio transformatoriai turi mažesnius matmenis ir reikalauja mažiau varinės vielos, o tai žymiai sumažina viso gaminio kainą. Nepaisant to, pramoninio dažnio 50 (60) Hz transformatorių grandinės ir toliau bus aktualios dėl savo paprastumo ir patikimumo.

klasifikacija

Maitinimo įtampos keitikliai gali būti klasifikuojami taip:

1. Pagal maitinimo įtampos pobūdį:
   nuolatinis;
   kintamasis;
   Universalus.
2. Įtampos konvertavimo koeficientas:
   kėlimas;
   žemyn.
3. Pagal išėjimo voltų-amperų charakteristikos (VAC) pobūdį:
   nėra stabilus;
   stabilizuotas;
   reguliuojamas.
4. Pagal pagrindinės konversijos schemos tipą:
   žemo dažnio transformatorius;
   pulso droselis;
   impulsinis vientaktis skrydis atgal, pirmyn;
   impulsinės stūmimo-traukimo, tilto ir pustilčių grandinės;
   inverteriai;
   tiristorių ir triakų keitiklių grandinės.

Žemo dažnio transformatorių grandinės

1 paveikslas.AC transformatorius

Transformatorių grandinės yra paprastos ir patikimos. Jie naudojami sinusoidinei kintamajai įtampai konvertuoti. Pagrindinė grandinė parodyta 1 paveiksle. Konversijos dažnis atitinka taikomą tinklo dažnį, daugeliu atvejų jis yra 50 Hz, kai kuriose šalyse 60 Hz, o kartais ir 400 Hz specializuotai įrangai maitinti.

Įtampos konversijos koeficiento klasifikacija

Transformatoriaus grandinės konversijos koeficientas yra lygus išėjimo ir įėjimo santykiui:

Ties K, mažėja. Tai yra labiausiai paplitęs galios dažnio transformatoriaus tipas. Jis plačiai naudojamas plataus vartojimo ir pramoninės elektronikos maitinimo šaltiniuose.

Jei K> 1, padidinimo grandinė. Jis naudojamas tais atvejais, kai reikia didesnės įtampos, palyginti su pirminiu. Jis kartais naudojamas kaip pagrindinė grandinė keitikliuose, taip pat norint gauti aukštą įtampą, pavyzdžiui, maitinti mikrobangų krosnelių magnetroną ir kt.

Esant K = 1, išėjimo įtampos reikšmė įėjimo įtampos atžvilgiu praktiškai nekinta. Ši grandinė kartais naudojama galvaninei izoliacijai, kai reikia pašalinti tinklo įtampos įtaką tiekiamam objektui arba elektros saugos sumetimais.

Klasifikavimas pagal išėjimo srovės-įtampos charakteristikos pobūdį

Nereguliuojami transformatoriai

Jie turi vieną pirminę ir vieną ar kelias antrines apvijas, dažniausiai galvaniškai izoliuotas nuo pirminės. I–V charakteristika priklauso nuo daugelio sąlygų ir nesikeičia.

Reguliuojami transformatoriai – autotransformatoriai

2 pav. Autotransformatorius

Autotransformatoriai skirtas sklandžiai arba laipsniškai reguliuoti išėjimo įtampą. Dažniausiai jie turi vieną apviją, kuri vienu metu atlieka pirminės ir antrinės funkcijos, o įtampos reguliavimas atliekamas perjungiant išėjimo gnybtą tarp skirtingų apvijų gnybtų.

Autotransformatoriaus įvesties gnybtas nėra prijungtas prie kraštutinio gnybto, o su nedideliu kelių gnybtų poslinkiu į apvijos vidurį. Tai leidžia reglamentu pasiekti konversijos koeficientą, kuris yra mažesnis ir didesnis nei vienetas. Išėjimo perjungimas su apvijų gnybtais atliekamas paketiniu jungikliu arba panašiu perjungimo įrenginiu.

Jei reikia sklandžiau reguliuoti išėjimo įtampą, naudojami modifikuotos konstrukcijos autotransformatoriai. Visa apvija suvyniota vienu sluoksniu ant toroidinės šerdies, pasukite į posūkį su nedideliu tarpu tarp apsisukimų. Dalis izoliacijos, esančios toroidinės apvijos galinėje pusėje, pašalinama iš laidininko, kad perjungimo įtaisas būtų prijungtas prie kiekvieno posūkio. Kontaktui su posūkiais naudojamas slankiojantis arba ritininis grafito bėgis. Dėl šios konstrukcijos atliekamas sklandesnis perjungimas tarp gnybtų (iš izoliacijos atlaisvintos vietos), o slankiklio judėjimas beveik per visą transformatoriaus apviją leidžia gauti įtampą išėjime nuo nulio iki didžiausios vertės. transformacijos koeficientas. Dėl tokios specifinės konstrukcijos ir galimybės taip giliai reguliuoti išėjimo įtampos vertę, tokie autotransformatoriai dažniausiai vadinami laboratoriniais autotransformatoriais arba sutrumpintai. LATR... Supaprastinta LATR elektrinė schema parodyta 2 paveiksle.

Transformatorių grandinės su lygintuvu

Daugeliu atvejų pramoniniams ir plataus vartojimo elektroniniams prietaisams reikalinga nuolatinė srovė. Tam transformatoriaus grandinės papildytos puslaidininkiniu lygintuvu, o išlyginamosios įtampos pulsavimui išlyginti lygintuvo grandinės išėjime įmontuotas išlyginamasis kondensatorius. Pagrindinė grandinė parodyta 3 paveiksle ir gali tapti sudėtingesnė, priklausomai nuo maitinimo šaltinio srovės įtampos charakteristikų reikalavimų.

Kai kuriais atvejais, norint maitinti skirtingus grandinės blokus, reikia skirtingų įtampos lygių arba vidurio taško maitinimo. Tam naudojami kelių apvijų transformatoriai su skirtingomis įtampomis arba svirtimis, prijungtomis prie kiekvienos atskiro lygintuvo apvijos su talpiniu filtru.

Perjungiami nuolatinės srovės įtampos keitikliai

Kai prietaisą reikia maitinti iš įtampos, kurios vertė yra mažesnė, palyginti su turima maitinimo įtampa, jie dažnai naudojami stabilizatoriaus grandinės remiantis įtampos dalikliais – tranzistoriais arba integraliniais stabilizatoriais. Šio metodo trūkumas yra tas, kad jei reikia žymiai sumažinti maitinimo įtampą, palyginti su pirminiu, reguliavimo elemento (tranzistoriaus, stabilizatoriaus mikroschemos) generuojama šiluma, proporcinga jo apkrovos srovės kvadratui. Esant didelei apkrovos galiai, tokia transformacija sukelia didelių energijos nuostolių ir sumažina efektyvumą. Efektyvesniam maitinimo įtampos konvertavimui naudojami impulsiniai keitikliai, kurių veikimas pagrįstas pulso dažnis arba impulso plotis moduliacija.

Norėdami suprasti impulsų moduliavimo procesą, apsvarstykite 4 pav. pateiktą grandinę. Į „Bendrosios“ įvesties išvestis ir "Uip" yra taikoma pirminio šaltinio įtampa. SA1 jungiklis valdomas valdymo įtaisu impulsiniu režimu, periodiškai uždarant ir atidarant kondensatoriaus C1 įkrovimo grandinę per balastinį rezistorių Rb. Kai SA1 raktas uždaromas, kondensatorius pradeda krautis, jo įtampa palaipsniui didėja. Atidarius raktą, įkrovimas nutraukiamas. Jei apkrova atjungta, kondensatoriaus įtampa išlieka nepakitusi iki kito rakto uždarymo. Kai prie išvesties prijungiama apkrova, kondensatorius išsikrauna, jame krenta įtampa. Jei ilgą laiką laikysimės šio pasikartojančio proceso, apkrovos įrenginio išvestyje bus dideli įtampos svyravimai. Kad šie svyravimai nebūtų tokie reikšmingi, užtenka sutrumpinti kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo proceso laiką, t.y. padidinti perjungimo impulsų pasikartojimo dažnį iki priimtinų verčių.

Įtampos lygis tokio keitiklio išėjime priklauso nuo rakto uždarymo laiko ir atviros padėties laiko santykio bei nuo apkrovos dydžio. Jei imsime apkrovos konstantos reikšmę, tada įtampos lygis bus tiesiogiai proporcingas impulso trukmei per laikotarpį. Impulso trukmės ir pasikartojimo periodo santykis vadinamas impulso darbo ciklu:

kur D yra impulso veikimo ciklas, t yra impulso trukmė, T yra impulso pasikartojimo laikotarpis.

Kuo didesnis impulsų darbo ciklas, tuo didesnė įtampa keitiklio išėjime gali būti padidinta. Norėdami ištirti tokio keitiklio veikimą, galite surinkti pagrindinę grandinę, parodytą 5 paveiksle.

VT1 jungiklis perjungia kondensatoriaus C1 įkrovimo grandinę per balastinį (srovę ribojantį) rezistorių Rb. Ištraukimo rezistorius Rp pagreitina elektronų srautą iš bazinio ploto tuo momentu, kai užrakinamas VT1 klavišas. Rо yra rezistorius, ribojantis maksimalią VT1 rakto pagrindo srovę. VT2 - tranzistoriaus VT1 bazinės srovės valdymo raktas. Jo tikslas yra suderinti grandinės veikimą su generatoriaus signalu, palyginti su maitinimo šaltiniu minusu; iš esmės nesvarbu, ar generatoriaus signalas yra apverstas ir nukreipiamas į VT1 rakto pagrindą maitinimo pliuso atžvilgiu.

Užpildymo koeficientą galima keisti keliais būdais. Panagrinėkime juos atskirai.

Impulsinio dažnio moduliacija (PFM)

Keičiantis tos pačios trukmės impulsų pasikartojimo dažniui, keičiasi tik pauzių tarp jų trukmė. Impulso trukmė yra pastovi reikšmė, ji riboja maksimalų įmanomą dažnį, kurį generatorius pasieks esant maksimaliam įmanomam impulsų darbo ciklui, t.y., kai lygybė

Šiuo atveju dažnis bus lygus

6 paveiksle parodytas impulsų dažnio moduliavimo principas. Raudona tiesi linija "a" yra įprastinė tiesinė įtampos priklausomybė nuo filtro kondensatoriaus C1 (schema 5 pav.) įkrovimo metu (VT1 klavišas uždarytas). Žalia tiesi linija "b" yra įprasta tiesinė priklausomybė nuo įtampos, esančios filtro kondensatoriuje, kai jis iškraunamas į apkrovą. t yra impulsų trukmė, vienoda visiems impulsams. T1, T2, T7 ir Tn yra atitinkamos eilės impulsų pasikartojimo periodas. Kaip parodyta aukščiau pateiktame pavyzdyje, impulsų pasikartojimo periodai gali skirtis ir turėti įtakos vidutinei energijos, perduodamos iš pirminio šaltinio į išėjimą, vertę.

Apatinėje paveikslo dalyje parodyta teoriškai teisinga filtro kondensatoriaus įtampos diagrama, susidedanti iš segmentų, atspindinčių periodiškai pasikartojantį įkrovimą / iškrovimą. Mėlyna kreivė rodo vidutinę įtampos vertę keitiklio išėjime. Šios kreivės horizontalioje atkarpoje pavaizduotas išėjimo įtampos stabilizavimo režimas – Ust.

Impulso pločio moduliavimas (PWM)

Esant pastoviam impulsų pasikartojimo periodui, t.y. kai nekinta impulsų dažnis, moduliacija atliekama keičiant impulso trukmę, o pauzių trukmė keičiasi atvirkščiai. Principas yra šiek tiek panašus į impulsų dažnio moduliavimą.

Impulso plotis moduliacija pavaizduota 7 paveiksle. Skirtingai nuo PFM, čia impulsų pasikartojimo periodas T yra pastovus, o impulso trukmė t1, t4, tn eilės kinta priklausomai nuo reikalingo moduliuojamos išvesties vertės lygio.

Skirtumas tarp nagrinėjamų metodų leidžia naudoti skirtingus grandinės sprendimus vienai užduočiai atlikti.

Taikydami dažnio arba impulso pločio moduliaciją, galite apriboti, stabilizuoti arba dinamiškai reguliuoti išvesties vertę. 8 paveiksle pateikti PFM ir PWM valdymo pavyzdžiai.

Impulsų keitiklių grandinė

Atsižvelgiant į 4 ir 5 paveikslų grandinę, galima atkreipti dėmesį į vieną reikšmingą tokio sprendimo trūkumą: per balastinį rezistorių Rb, kai jungiklis uždarytas, teka srovė, proporcinga įtampos kritimui. Dėl to rezistorius dalį energijos išsklaido šilumos pavidalu, o tai reiškia, kad sumažėja efektyvumas. Siekiant pašalinti šį trūkumą, vietoj balastinio rezistoriaus impulsinėse grandinėse naudojami indukciniai elementai - droseliai ir impulsiniai transformatoriai.

Droselis riboja srovės kilimą išilgai priekinio (kylančio) impulso krašto. Nuo droselio įjungimo grandinėje iki visiško šerdies magnetinio prisotinimo energija joje kaupiama magnetinio lauko pavidalu. Visiškai prisotinus šerdį, net jei srovė ir toliau didėja, induktorius negali sukaupti daugiau energijos, todėl energija pradeda išsiskirti šilumos pavidalu, o tai gali sukelti nuostolių ir sumažinti efektyvumą. Todėl grandinė turi būti suprojektuota taip, kad ilgiausia impulso trukmė būtų apribota iki pilno prisotinimo momento. Kai droselio grandinė nutrūksta išilgai užpakalinės (mažėjančios) impulso briaunos, droselio magnetinis laukas greitai mažėja dėl srovės srauto nutraukimo. Magnetinio lauko sumažėjimas sukelia priešingo poliškumo magnetinės indukcijos įtampos impulsą droselio apvijos galuose, atsižvelgiant į taikomą įtampą, o srovė teka per droselio apviją. Šią įtampą galima perjungti taip, kad impulsų energija būtų naudojama apkrovai maitinti. Taigi droselis, ribodamas, srovė kaupia energiją, o tarp impulsų gali perkelti sukauptą energiją į apkrovą arba grąžinti ją į pirminį šaltinį. Dėl to energijos nuostoliai sumažėja žymiai sumažėjus išėjimo įtampai, palyginti su įvesties įtampa, net tiekiant galingą apkrovą.

Atgalinio EMF impulso atsiradimas induktoriaus apvijoje gali būti naudojamas ne tik norint padidinti įrenginio efektyvumą, kai įtampa yra ribota, bet ir padidinti išėjimo įtampą, palyginti su įvesties įtampa.

Droselio keitiklių trūkumas yra tai, kad neįmanoma galvaniškai izoliuoti išėjimo iš pirminio maitinimo įtampos šaltinio. Galvaninę izoliaciją galima atlikti naudojant impulsinius transformatorius su atskiromis pirminės (maitinimo) ir antrinės įtampos apvijomis. Transformatorių grandinės gali veikti tiek vieno takto režimu (droselio režimu), tiek stūmimo režimu.

Tipinės impulsų keitiklių kaskadų grandinės naudojant indukcinius elementus - droselius ir impulsinius transformatorius

Vienpusių nuolatinės srovės įtampos keitiklių išėjimo pakopos grandinės naudojant droselį

Nuolatinės įtampos droselio keitiklis

9 paveiksle parodyta išvesties stadija. SA1 yra schema valdomas raktas. Kai raktas įjungiamas pradiniu laiko momentu, droseliui taikomas skirtumas tarp maitinimo įtampos ir išėjimo įtampos. Tada, kai induktorius magnetizuojasi, srovė per jį palaipsniui didėja, o įtampos kritimas jame, priešingai, mažėja. Kai srovė teka per droselį, filtro kondensatorius C1 įkraunamas, o droselis kaupia energiją šerdies magnetiniame lauke. Atidarius raktą, L1 apvijos galuose atsiranda atvirkštinės įtampos impulsas. Kai droselyje atsiranda galinis EMF, impulsinis diodas DV1 komunaluoja atlaisvintą savo apvijos išėjimą su minusu C1. Dėl to induktoriaus magnetiniame lauke sukaupta energija neprarandama, o išleidžiama papildomam filtruojančio išėjimo kondensatoriaus įkrovimui intervalais tarp impulsų.

Nuolatinės įtampos didinimo droselio keitiklis

Kai grandinė (10 pav.) yra prijungta prie pirminio nuolatinės srovės įtampos šaltinio, kondensatorius C1 įkraunamas per induktorių L1 ir impulsinį diodą (Schottky diodą) DV1. Jo įtampa pasiekia maitinimo šaltinio įtampą, atėmus įtampos kritimą per induktorių ir diodą.

Droselis apskaičiuojamas taip, kad atidarius SA1 klavišą, dirbant su apkrova, apkrovos srovė nesukeltų reikšmingo droselio šerdies prisotinimo.

Uždarius SA1 klavišą, į droselį patenka maitinimo šaltinio įtampa, per jį didėja srovė, o magnetinio lauko energija kaupiasi šerdyje iki visiško prisotinimo momento. Diodas VD1 užsidaro, kai raktas uždaromas veikiant atvirkštinei įtampai, išskyrus kondensatoriaus C1 uždarymą.

Šiek tiek prisotinus šerdį, atsidaro raktas.

Tuo metu, kai atidaromas raktas, ant droselio pasirodo atvirkštinio poliškumo įtampos impulsas. Prie blokuojančio diodo anodo atsiranda įtampa, lygi pirminio maitinimo šaltinio įtampų ir droselio impulso įtampos sumai. Atsidaro diodas ir C1 įkraunamas.

Dėl to, kad tuo metu, kai atidaromas raktas, droselio atvirkštinio impulso įtampa padidina pirminio šaltinio įtampą, keitiklio išvestyje galime gauti įtampą, viršijančią droselio įtampą. pirminis šaltinis.

Šios grandinės pagrindu galima statyti keitiklius su reguliuojama išėjimo įtampa, tačiau reguliuoti galima tik nuo pirminio šaltinio įtampos, kas riboja šio sprendimo apimtį.

Droselio keitiklių išėjimo pakopų tranzistorių grandinių pavyzdys

Norint atlikti eksperimentus su aptartais droselio keitiklių tipais, galima surinkti kaskadines grandines ant tranzistorių, parodytų 11 ir 12 paveiksluose.

Nesočiųjų impulsų transformatorius

Transformatoriui paduodant vienpolius įtampos impulsus, dėl stačios histerezės kilpos charakteristikos, liekamoji įtampa šerdyje nepašalinama, o su kiekvienu kitu impulsu pasiekia tokią reikšmę, kuriai esant magnetinio lauko stiprumo pokytis nuo pulso pradžia iki pabaigos tampa nereikšminga. Kadangi energijos perdavimas transformatoriuje vykdomas kintančio magnetinio lauko, kurio vertė gerokai sumažėja vienpusiškai įmagnetinus šerdį, sumažėja energijos kiekis, kurį transformatorius gali perduoti per vieną darbo laikotarpį, t.y jo veiksmingumas. Tokiais atvejais kartais sakoma, kad transformatorius yra prisotintas pastovios įmagnetinimo srovės komponento.

Jo esmė, transformatorius su atvira magnetine grandine yra droselis su antrine apvija.

Eksploatuojant vieno ciklo keitiklius, išskiriamos dvi ciklo fazės:

1. abipusės indukcijos EML sužadinimas antrinėje apvijoje, kai didėja magnetinio srauto intensyvumas, didėjant pirminei srovei (šerdies įmagnetinimas);
2. abipusės indukcijos EML sužadinimas antrinėje apvijoje magnetinio srauto stiprio kritimo metu, kai pirminė srovė atstatoma (šerdies išmagnetinimas).

Patartina iš antrinės apvijos pašalinti naudingąją galią pirmoje ciklo fazėje arba antroje. Pirmoje fazėje esant antrinės apvijos naudingajai apkrovai, keitiklis vadinamas "pirmyn", antroje - "skraidymas atgal".

Pirminio srauto keitiklis naudojant neprisotintą impulsinį transformatorių

13 paveiksle parodyta tiesioginio impulso keitiklio galios pakopos diagrama.

Kai VT1 klavišas atsidaro, kai įjungiamas valdymo impulsas, pirminei T1 apvijai tiekiama maitinimo įtampa. Pirminė srovė pradeda didėti, kai šerdis prisisotina. Šiuo metu didėjantis šerdies magnetinis srautas sukelia tokio poliškumo antrinėje apvijoje įtampos indukciją, kuriai esant atsidaro impulsinis diodas VD1, įkraunantis kondensatorių C1 ir tiekiant apkrovą.

Kai VT1 raktas užsidaro, srovė nustoja tekėti per pirminę apviją, dėl to magnetinio lauko stiprumas pradeda keistis priešinga kryptimi, tai yra mažėti. Sumažėjus šerdies magnetiniam srautui, antrinėje apvijoje atsiranda atvirkštinio poliškumo įtampa, kuriai esant diodas VD1 užsidaro. Abi apvijos yra neapkrautos, todėl visų apvijų galuose gali atsirasti įtampos impulsas, kelis kartus didesnis už pirminio šaltinio įtampą. Šis impulsas gali sugadinti ir impulsinį diodą, jei viršijama jo maksimali atvirkštinė įtampa, ir tranzistoriaus jungiklį. Todėl tokios grandinės turi būti papildytos apsauginėmis grandinėmis.

Apsaugos būdai gali būti įvairūs, paveikslėlyje parodytas tik vienas iš galimų variantų. Čia, kai atsiranda atvirkštinis įtampos impulsas, jo viršįtampis atidaro slopinimo diodą VDd, todėl slopinimo grandinės kondensatorius Cd šuntuoja pirminę apviją, kai praeina stačias įtampos impulso priekis, o rezistorius. Rd šiek tiek sumažina viso impulso įtampos vertę.

Flyback konverteris naudojant nesočiųjų impulsų transformatorių

14 paveiksle pavaizduota grandinė pakartoja 13 paveikslo grandinę. Skirtumas tas, kad antrinėje apvijoje buvo pakeisti gnybtai. Jei jau atkreipėte dėmesį į "*" ženklus T1 apvijų vaizduose, daugelis iš jūsų atspėjo, kad tai yra apvijų pradžios simbolis.

Dabar, atidarius raktą, srovė pirminėje apvijoje pradės didėti įmagnetinus šerdį, tačiau antrinėje apvijoje indukuota įtampa uždarys VD1 diodą, o visa energija (išskyrus nuostolius) bus perduodama per pirminė apvija kaupsis šerdies magnetiniame lauke, kol ji bus visiškai prisotinta. Kai raktas užrakintas, srovė nustoja tekėti per pirminę apviją, o antrinėje indukuojama atvirkštinio poliškumo įtampa, kuri atidaro VD1 diodą, įkrauna kondensatorių C1 ir tiekia apkrovą.

Šiuo atveju mūsų naudingoji apkrova pašalinama iš antrinės apvijos šerdies išmagnetinimo metu, keitiklio veikimo ciklo atvirkštinės eigos metu. Iš čia ir kilo pavadinimas – „flyback“.

Atvirkštinė fazė esant pastoviai tokio keitiklio apkrovai yra aktyvi, o atidarius pirminę grandinę pirminėje apvijoje neturėtų atsirasti pavojingų įtampos šuolių. Tačiau kai apkrova yra kintama, raktas gali sugesti veikiant tuščiąja eiga. Tam nagrinėjama schema turi būti papildyta apsaugos grandine, panašia į schemą 13 paveiksle.

Aukščiau pateiktos kaskadinės vieno galo keitiklių grandinės tinka tik mažos galios diapazone, maždaug iki 100 VA.

Stūmimo nuolatinės srovės įtampos keitiklių išėjimo pakopos grandinės naudojant impulsinius transformatorius

Galios transformatoriai yra pagrindinis maitinimo įtampos keitimo įrenginių elementas. Kaip jau minėjome, vieno ciklo veikimo režimai nustato didelius jų naudojimo ir efektyvumo apribojimus. Norint visapusiškiau panaudoti visas naudingas impulsinių transformatorių savybes, jie naudojami stūmimo ir traukimo konversijos grandinės... Tai leidžia ne tik padidinti keitiklio efektyvumą, bet ir didesnę galią.

Panagrinėkime tris pagrindines impulsinių impulsų keitiklių galios pakopų grandines.

Stūmimo impulsų keitiklio galios pakopos diagrama su pirminės apvijos vidurio tašku

15 paveikslo grandinėje naudojamas impulsinis transformatorius T1 su dviem I ir II pirminėmis apvijomis, kurios sujungtos nuosekliai, t.y. vienos apvijos galas prijungtas prie antrosios pradžios. Ši jungtis sudaro vidurio tašką, prie kurio yra prijungtas vienas iš maitinimo šaltinio polių, šiuo atveju teigiamas. Laisvieji pirminių apvijų laidai yra prijungti prie priešingo maitinimo šaltinio poliaus per maitinimo perjungimo jungiklius VT1 ir VT2.

Visas šios grandinės veikimo ciklas susideda iš I ir II apvijų pakaitomis prijungimo prie maitinimo grandinės. Pavyzdžiui, atidarius VT1 raktą, apvija I sužadina šerdyje tam tikro magnetinio lauko stiprumo magnetinį srautą. Kai VT1 uždarytas, šerdies magnetinis srautas susilpnėja iki likutinės vertės. Tai pirmas darbo žingsnis. Be to, atsidaro raktas VT2, o srovė pradeda tekėti per apviją II, sukurdama priešinga kryptimi, palyginti su pirmąja ciklu, magnetinį srautą. Tokiu atveju šerdis turi laiko visiškai išmagnetinti, o paskui vėl prisisotinti atvirkštinio poliškumo magnetinio srauto. Kai VT2 raktas uždarytas, magnetinis srautas taip pat sumažėja iki likutinės vertės. Tai antrasis keitiklio ciklas.

Veikimas stūmimo režimu leidžia visiškai išnaudoti impulsinių transformatorių, kurių šerdys turi didelę magnetinio pralaidumo vertę, pranašumus ir nereikalauja įvesti nemagnetinio tarpo į magnetinę grandinę.

Apibendrinant stumiamojo transformatoriaus konversijos įgyvendinimo esmę, tai yra periodinis srovės krypties pirminėje apvijoje pokytis.

Stūmimo impulsų keitiklio galios pakopos pusiau tilto grandinė

Pustilties grandinėje (16 pav.) pirminė srovė generuojama įkraunant kondensatorius C2 ir C3.

Kai abu mygtukai yra uždaryti, prijungus maitinimo įtampą, pusiau tilto C2 ir C3 viršutinės ir apatinės svirties kondensatoriai įkraunami maždaug tolygiai, o bendrame gnybte susidaro įtampa, maždaug lygi pusei maitinimo įtampos. .

Atidarius VT1 raktą, pirminės apvijos I pradžia (pažymėta "*") pasirodo esanti prijungta prie teigiamo maitinimo šaltinio poliaus. Tokiu atveju kondensatorius C2 pradeda išsikrauti, o C3 pradeda krautis. Kondensatorių bendrojo taško potencialas bus linkęs traukti iki teigiamo pirminio maitinimo šaltinio poliaus.

Kai VT1 uždaromas ir VT2 atidaromas, pirminio maitinimo šaltinio apvijos pradžia persijungia iš teigiamo poliaus į neigiamą. Tokiu atveju bus stebimas simetriškas procesas anksčiau svarstytam - C3 išsikraus, o C2 bus įkrautas. Jų bendras taškas prie pirminės apvijos bus linkęs traukti iki tiekimo minuso.

Dėl minėtų dviejų keitiklio veikimo ciklų pirminėje apvijoje bus sukurta kintamoji elektros srovės kryptis, ji sužadins kintamąjį magnetinį srautą transformatoriaus šerdyje, o srautas indukuoja kintamą įtampą antrinė apvija.

Perjungimo momentais pirminės apvijos gnybtuose gali atsirasti įtampos impulsų, kurie gali sugadinti raktus, todėl apsaugos sumetimais abu klavišai yra šuntuojami apsauginiais diodais VD1 ir VD2.

Stūmimo impulsų keitiklio galios pakopos tiltinė grandinė

Tilto grandinė (tiltas) susideda iš keturių pečių, suformuotų klavišais VT1-VT4. Tiltas turi dvi įstrižas. Viena įstrižainė prijungta prie pirminio maitinimo šaltinio. Impulsinio transformatoriaus T1 pirminė apvija I prijungta prie antrosios įstrižainės.

Norint sukurti kintamąjį magnetinį srautą pirmine apvija transformatoriaus šerdyje, atliekamas pakaitinis raktų porų VT1, VT4 ir VT2, VT3 perjungimas.

Apsauginiai diodai VD1, VD2, VD5 ir VD6, kai pirminėje apvijoje atsiranda perjungimo impulsai, perjungia ją taip, kad apkrovos nepašalinto magnetinio lauko energija grįžtų į pirminį maitinimo šaltinį.

Negyvas laikas (pauzė)

Kai valdymo signalas pašalinamas, tranzistorius užtrunka šiek tiek laiko, kol jis visiškai užsidaro. Jei raktas (raktų pora tilto grandinėje) dar neuždarytas arba neuždarytas iki galo, o antrasis raktas (raktų pora) atidarytas, tada pirminis maitinimo šaltinis yra šuntuojamas sukurtos viešųjų raktų grandinės. Tokiu atveju tranzistoriai generuos daug šilumos, veiks perkrovos režimu arba gali net sugesti. Kad taip nenutiktų, tarp perjungimo ciklų įvedama speciali pauzė – laikas, reikalingas pilnai užrakinti raktus, kurie veikė baigtame cikle. Šis laikas vadinamas „negyva pauzė“ arba „negyvas laikas“.

Reguliavimo ir stabilizavimo režimai

Visoms nagrinėjamoms impulsų keitiklių grandinėms būdingas bendras išėjimo parametrų reguliavimo ir stabilizavimo proceso organizavimo principas - impulsų moduliacija... 18 paveiksle parodyta konversijos proceso organizavimo su išėjimo įtampos ir srovės valdymu blokinė schema.

Pirminis PI maitinimo šaltinis tiekia energiją į SIM ir VC išvesties pakopos impulsų moduliavimo grandinę. Impulsų moduliavimo grandinė generuoja valdymo signalą, perduodamą KU valdymo kanalu. VC išėjimo pakopa, konvertuojant pirminio PI šaltinio maitinimo įtampą, tiekia apkrovą H įtampa, valdoma SKN įtampos valdymo grandinės. Apkrovos srovę valdo SKT srovės valdymo grandinė. Valdymo grandinės grįžtamojo ryšio kanaluose KOST ir KOSN generuoja informacinius signalus SIM impulsų moduliavimo grandinės įėjimuose. Remiantis šiais signalais, SIM formuoja reikiamas valdymo signalo, tiekiamo per KU valdymo kanalą į VC išėjimo stadiją, charakteristikas.

Ši blokinė schema atspindi sudėtingiausią keitiklio versiją, galinčią vienu metu stebėti ir reguliuoti kelis parametrus, tokius kaip srovė, įtampa ir apkrovos galia. Kai kuriais atvejais pakanka paprastesnio vykdymo. Pavyzdžiui, ten, kur reikalingas tik įtampos reguliavimas, galite pašalinti srovės valdymo grandinę, tarkime, kad maitintumėte mažos galios elektroninį įrenginį. Ten, kur reikalingas tik srovės valdymas, galima pašalinti įtampos valdymo grandinę, kuri paprastai reikalinga kuriant šviesos diodų matricų maitinimo šaltinius. Pilna grandinė su įtampos ir srovės valdymu gali būti naudinga kuriant įkroviklius, kai reikia apriboti tiek srovę, tiek didžiausią leistiną įtampą ar net sukurti sudėtingesnį konversijos algoritmą naudojant mikrovaldiklio grandines.

Išvada

Impulsinėje technologijoje yra daug niuansų, į kuriuos reikia atsižvelgti projektuojant, tačiau tai jau siauresnės temos, kurias reikia apsvarstyti konkrečiuose sprendimuose. Pateikta informacija yra bendra ir informacinė. Neįmanoma aprėpti visos grandinių įvairovės ir egzotikos viename straipsnyje. Tačiau, kad ir kurį įrenginį turėtumėte apsvarstyti, pagrindiniai principai beveik nesikeičia. Todėl, įvaldę pagrindus, užtikrintai suprasite bet kokio sudėtingumo grandines.

Pagarbiai, Michailas Staškovas.

Impulsiniai keitikliai yra neatsiejama šiuolaikinės elektronikos dalis. Jie gali konvertuoti maitinimo įtampą (tipinės vertės nuo 8 iki 25 V) į žemesnę stabilizuotą įtampą (įprastos vertės nuo 0,5 iki 5 V). Buck keitikliai perduoda nedidelį energijos kiekį naudodami jungiklį, diodą, induktorių ir kelis kondensatorius. Nepaisant to, kad impulsinių keitiklių dydis ir triukšmo lygis yra daug didesni nei jų linijiniai analogai, impulsų keitiklių efektyvumas daugeliu atvejų yra didesnis.

Nors ir plačiai paplitęs, keitiklio dizainas gali būti sudėtingas pradedantiesiems maitinimo šaltinių projektuotojams ir vidutinio lygio profesionalams. Taip yra dėl daugelio praktinių metodų ir kai kurių grandinių skaičiavimo algoritmų neprieinamumo. Ir nors kai kuriuos skaičiavimus nesunkiai galima rasti lusto specifikacijose, net ir ši informacija kartais būna išspausdinta su klaidomis.

„Buck“ keitiklių gamintojai įtraukia tipišką programos dizainą kaip specifikacijos elementą, kad padėtų inžinieriams, o tai savo ruožtu dažnai nurodo konkrečius komponentų tipus ir kiekius, kuriuos reikia sukurti. Tačiau gamintojai retai pateikia išsamų komponentų pasirinkimo metodikos aprašymą, darydami prielaidą, kad vartotojas tiksliai kopijuoja siūlomą variantą. Nutraukus bet kurio iš pagrindinių grandinės komponentų gamybą arba prireikus jį pakeisti pigesniu variantu, vartotojas neturi po ranka būdo, kaip pasirinkti ekvivalentą.

Šiame straipsnyje aptariama tik viena buck reguliatoriaus topologija – fiksuotas perjungimo dažnis, impulsų pločio moduliacija (PWM) ir nuolatinės srovės (RNT) veikimas. Aptarti principai gali būti taikomi kitoms topologijoms, tačiau redukuotos lygtys negali būti tiesiogiai taikomos joms. Siekdami išspręsti keitiklio projektavimo sudėtingumą, pateikiame pavyzdį, kuriame pateikiama išsami įvairių komponentų parametrų skaičiavimo analizė. Reikalingi keturi grandinės parametrai: įėjimo įtampos diapazonas, stabilizuota išėjimo įtampa, maksimali išėjimo srovė ir keitiklio perjungimo dažnis. Fig. 1 pateikiami šie parametrai kartu su schema ir pagrindiniais reikalingais komponentais.

Ryžiai. 1.

Droselio pasirinkimas

Droselio vertės apskaičiavimas yra svarbiausias dalykas kuriant keitiklį. Pirma, tarkime, kad keitiklis veikia RNT, o tai yra tipiškas atvejis. RNT reiškia, kad kai perjungimo elementas yra uždarytas, droselis nėra visiškai iškrautas. Žemiau pateiktos lygtys galioja idealiam perjungimo elementui (nulis viešojo rakto varža ir begalinis uždaras, nulis perjungimo laikas) ir idealiam diodui:

kur f SW yra keitiklio perjungimo dažnis, o LIR yra induktoriaus srovės santykis, išreikštas procentais nuo išėjimo srovės I OUT (ty pulsuojančiai srovei, kurios srovė nuo didžiausios iki maksimumo yra 300 mA išėjimo srovė 1 A, gauname LIR = 0,3 A / 1 A = 0,3).

0,3 LIR rodo gerą efektyvumo ir reakcijos į apkrovos pokyčius santykį. LIR konstantos padidėjimas - droselio srovės pulsacijos padidėjimas - pereinamųjų charakteristikų dinamikos pagerėjimas ir LIR sumažėjimas - vadinasi, srovės pulsacijos sumažėjimas - trumpalaikių procesų sulėtėjimas. Fig. 2 parodytos pereinamosios charakteristikos ir droselio srovė tam tikrai apkrovos srovės vertei, kai LIR vertė yra nuo 0,2 iki 0,5. Viršutinėje diagramoje parodyta kintamosios srovės išėjimo įtampos pulsacija, 100 mV / dal. Vidutinis grafikas - apkrovos srovė, 5 A / dal. Apačia - droselio srovė, 5 A / dal. Visų grafikų laiko skalė yra 20 μs / dal.

Ryžiai. 2.

Didžiausia droselio srovė nustato reikiamą vardinę jos soties srovės vertę, kuri savo ruožtu lemia droselio matmenis. Droselio šerdies prisotinimas sumažina keitiklio efektyvumą, tuo pačiu padidindamas droselio, MOSFET ir diodo temperatūrą. Didžiausią induktoriaus veikimo srovę galima apskaičiuoti pagal šią formulę:

kur

Vertėms, parodytoms pav. 1, pagal šias formules apskaičiuotas induktyvumas yra 2,91 μH (LIR = 0,3). Pasirinkite tipinę vertę, artimiausią apskaičiuotajai vertei, pavyzdžiui, 2,8 μH, tada patikrinkite, ar soties srovės nominalioji vertė yra didesnė už apskaičiuotą maksimalią srovės vertę (IPEAK = 8,09 A).

Pasirinkite pakankamai aukštą soties srovę (šiuo atveju 10 A), kad kompensuotų grandinės parametrų nuokrypius ir skirtumą tarp faktinių ir apskaičiuotų komponentų verčių. Priimtinas skirtumas būtų 20% apskaičiuotos vardinės vertės, atsižvelgiant į droselio fizinių matmenų apribojimą.

Tokio dydžio droseliai paprastai turi nuolatinės srovės varžą (DCR) nuo 5 iki 8 mΩ. Norėdami sumažinti galios nuostolius, pasirinkite droselį su mažiausiu RVC. Nors specifikacijos skiriasi nuo tiekėjo iki pardavėjo, skaičiavimams visada naudokite didžiausias TPR reikšmes, o ne tipines vertes, nes didžiausias garantuojamas blogiausiu atveju.

IŠĖJIMO KONDENSATORIAUS PASIRINKIMAS

Išvesties kondensatorius reikalingas, kad būtų sumažintas įtampos šuoliai ir pulsacija keitiklio išėjime. Didelius šuolius sukelia nepakankama išėjimo talpa, o didelius įtampos virpesius sukelia nepakankama išėjimo kondensatoriaus talpa ir didelis ESR. Didžiausia leistina viršįtampis ir pulsacijos amplitudė paprastai nustatomi projektavimo metu. Todėl, norint patenkinti pulsacijos reikalavimus, būtina įtraukti pakankamai talpos ir mažo ESR išėjimo kondensatorių.

Peršokimo problema (kai išėjimo įtampa viršija stabilizavimo įtampą staigiai atjungiant visą apkrovą nuo išėjimo) reikalauja, kad išėjimo kondensatorius būtų pakankamai didelis, kad induktoriaus energija neperduotų virš tam tikro maksimumo. Išėjimo įtampos viršijimą galima apskaičiuoti pagal šią formulę:

(Lvl 2)

Transformuodami 2 lygtį gauname:

(3 lygis)

kur C 0 lygus išėjimo talpai, o DV – maksimaliam išėjimo įtampos viršijimui.

Paėmę didžiausio 100 mV įtampos viršijimo reikšmę ir išsprendę 3 lygtį, gauname apskaičiuotą išėjimo talpą 442 μF. Tipinio kondensatoriaus tolerancijos (20%) pataisa suteikia praktinę išėjimo talpos vertę apie 530 μF. Artimiausia standartinė vertė yra 560 μF.

Išėjimo bangavimas naudojant tik šį baką apskaičiuojamas pagal šią formulę:

Pagrindinė įtaka pulsacijai yra išėjimo kondensatoriaus ESR. Rezultatą galima apskaičiuoti taip:

Atminkite, kad pasirinkus kondensatorių su labai mažu ESR, keitiklis gali tapti nestabilus. Stabilumo faktoriai skiriasi priklausomai nuo IC, todėl rinkdamiesi išvesties kondensatorių būtinai perskaitykite duomenų lapą ir atkreipkite ypatingą dėmesį į skyrius, susijusius su keitiklio stabilumu.

Pridėjus išėjimo įtampos pulsaciją dėl talpos (pirmasis 4 lygties terminas) ir išėjimo kondensatoriaus ESR (antrasis terminas), gauname keitiklio išėjimo įtampos pulsacijos sumą:

Transformuodami 4 lygtį, kad surastume ESR, gauname:

Gero keitiklio išėjimo įtampos pulsacija paprastai yra mažesnė nei 2% (mūsų atveju – 40 mV). Kai išėjimo talpa yra 560 μF, 5 lygtis suteikia didžiausią apskaičiuotą ESR 18,8 mΩ. Todėl rinkitės kondensatorių, kurio ESR mažesnis nei 18,8 mΩ, o talpa lygi arba didesnė nei 560 μF. Lygiagrečiai galima prijungti kelis žemo ESR kondensatorius, kad ESR ekvivalentas būtų mažesnis nei 18,8 mΩ.

Ryžiai. 3.

Fig. 3 parodyta išėjimo įtampos pulsacijos priklausomybė nuo išėjimo talpos ir ESR verčių. Kadangi mūsų pavyzdyje naudojami tantalo kondensatoriai, ESR poveikis pulsacijai yra vyraujantis.

ĮVESTIES KONDENSATORIAUS PASIRINKIMAS

Įvesties kondensatoriaus srovės pulsacijos diapazonas lemia jo vertę ir fizinius matmenis. Ši formulė apskaičiuoja, kokia turi būti įvesties kondensatoriaus pulsacijos srovė:

Ryžiai. 4.

Ryžiai. 4 yra grafikas, vaizduojantis kondensatoriaus pulsacijos srovę (kaip išėjimo srovės dalį) ir keitiklio įėjimo įtampą (rodoma kaip išėjimo įtampos ir įėjimo įtampos santykis). Blogiausiu atveju, kai įėjimo įtampa V IN = 2 V IŠV (V OUT / V IN = 0,5), o tai lemia didžiausią bangavimo srovę I OUTMAX / 2... Buck keitikliui reikalinga kondensatoriaus įėjimo talpa priklauso nuo maitinimo šaltinio varžos. Bendrosios paskirties laboratoriniams maitinimo šaltiniams paprastai pakanka 10–22 μF kiekvienam apkrovos srovės amperui. Dėl grandinės parametrų pav. 1, galima apskaičiuoti, kad įvesties srovės pulsacija yra 3,16 A. Remdamiesi tuo, galite pradėti nuo visos 40 μF įvesties talpos, o tada, remiantis bandymo rezultatais, pataisyti šią vertę.

Tantalo kondensatoriai nėra geras pasirinkimas įvesties filtrams. Paprastai jie sugenda „su trumpuoju jungimu“, o tai reiškia, kad sugedęs kondensatorius sukuria trumpąjį jungimą jo gnybtuose ir dėl to padidėja gaisro pavojus. Pirmenybė teikiama keraminiams arba aliuminio elektrolitiniams kondensatoriams, nes jie neturi tokių defektų.

Keraminiai kondensatoriai yra geriausias pasirinkimas, kai PCB erdvė ar komponentų aukštis yra ribotas, tačiau dėl jų grandinė gali generuoti akustinį skambėjimą. Šį aukšto dažnio triukšmą sukelia keraminio kondensatoriaus, sumontuoto ant spausdintinės plokštės, vibracija dėl feroelektrinių savybių ir pjezoelektrinio efekto, kurį sukelia įtampos bangavimas. Polimeriniai kondensatoriai gali palengvinti problemą. Jie taip pat yra jautrūs trumpojo jungimo gedimams, tačiau yra daug patikimesni nei tantalas, todėl yra tinkami kaip įvesties kondensatoriai.

DIODŲ PASIRINKIMAS

Renkantis diodą, ribojantis veiksnys yra galios išsklaidymas. Blogiausio atvejo vidutinė galia gali būti apskaičiuojama naudojant formulę:

(Lv. 6)

kur V D- įtampos kritimas per diodą esant tam tikrai išėjimo srovei I OUTMAX.

(Silicio diodams tipinė vertė yra 0,7 V, Schottky diodams – 0,3 V). Pasirinktas diodas turi sugebėti išsklaidyti energiją. Siekiant užtikrinti patikimą veikimą visame įvesties įtampos diapazone, maksimali atvirkštinė pasikartojanti įtampa turi būti didesnė už maksimalią įėjimo įtampą ( V RRMі V INMAX). Diodo tiesioginės srovės atskaita turi atitikti arba viršyti maksimalią išėjimo srovę (t. AŠ MĖSTIі I OUTMAX).

MOS TRANSISTORIŲ PASIRINKIMAS

Inžinieriai dažnai tiesiog pasirenka reguliatoriaus IC su integruotu MOSFET. Deja, dauguma gamintojų mano, kad galingų MOSFET įdėjimo į vieną paketą su keitikliu sąnaudos yra pernelyg didelės, todėl integriniai grandynai dažniausiai pasižymi maksimaliomis išėjimo srovėmis, ne didesnėmis kaip 3 ... 6 A. Galingesnėms grandinėms vienintelė alternatyva paprastai yra išorinis MOSFET ...

Prieš pasirenkant tinkamą įrenginį, būtina nustatyti maksimalią jungties temperatūrą ( T JMAX) ir maksimalią aplinkos temperatūrą ( T AMAX) išorinis MOS tranzistorius. T JMAX neturi viršyti 115 ... 120 ° C, ir T AMAX neturi viršyti 60°C. Maksimali 60 °C aplinkos temperatūra gali atrodyti aukšta, tačiau paprastai „buck“ keitikliai montuojami ant važiuoklės, kur ši temperatūra nėra neįprasta. Didžiausią leistiną MOSFET temperatūros kilimą galima apskaičiuoti pagal formulę:

Pakeičiant aukščiau nurodytas reikšmes T JMAX ir T AMAX 7 lygtyje didžiausias MOSFET temperatūros padidėjimas yra 55 ° C. Didžiausią MOSFET išsklaidytą galią galima apskaičiuoti pagal leistiną didžiausią MOSFET temperatūros kilimą:

MOSFET korpuso tipas ir šilumos šalinimo parametrai turi įtakos jungties ir vidutinės šiluminės varžos (Θ JA). Jei specifikacijoje nėra duomenų apie Θ JA, standartiniam SO-8 korpusui (laidiniai ryšiai, korpusas be vario pagrindo), sumontuotas ant 30 gramų 6,5 cm 2 varinės plokštės, 62 ° C / W yra pakankamai tikslus. Tarp reikšmės Θ JA ir radiatoriaus masė nėra atvirkštinio tiesinio ryšio, o reikšmės Θ sumažėjimo laipsnis JA greitai nukrenta naudojant varinį radiatorių, kurio plotas didesnis nei 6,5 cm 2. Pakeičiant į lygtį 8 Θ JA= 62 ° C / W, gauname leistiną galios sklaidą apie 0,89 W.

MOSFET išsklaidoma galia yra nulinio nutekėjimo į šaltinį įjungimo pasipriešinimo ir perjungimo nuostolių pasekmė. Atviro kanalo varžos nuostolius galima apskaičiuoti pagal formulę:

(Lv. 9)

Kadangi daugumoje žinynų didžiausia atviro kanalo varža pateikiama tik esant 25 °C, gali tekti įvertinti šio parametro vertę esant T JHOT... Praktiniams skaičiavimams pakankamai tiksli didžiausio pasipriešinimo bet kurioje temperatūroje vertė užtikrina, kad būtų taikomas 0,5% / ° C temperatūros koeficientas. Taigi atviro kanalo varža aukštoje temperatūroje apskaičiuojama taip:

Darant prielaidą, kad kanalo nuostoliai sudaro maždaug 60 % visų nuostolių, gaunamų naudojant MOSFET, ir konvertuojant 10 lygtį į 11 lygtį, didžiausia leistina kanalo varža esant 25 °C yra:

Perjungimo nuostoliai sudaro mažesnę MOSFET galios išsklaidymo dalį, tačiau į juos vis tiek reikia atsižvelgti. Toliau pateiktas perjungimo nuostolių apskaičiavimas suteikia gana apytikslį apytikslį apskaičiavimą, todėl nepakeičia laboratorinio įvertinimo. Norint patikimai valdyti temperatūrą, pageidautina naudoti temperatūros jutiklį, pritvirtintą prie P1 tranzistoriaus.

(12 Lvl)

kur Su RSS Ar tranzistoriaus P1 pralaidumas (vartų nutekėjimas) yra didžiausia įvesties / išvesties vartų pavaros srovė, o P1 yra viršutinės rankos MOS tranzistorius. Darant prielaidą, kad vartų pavaros srovė yra 1 A (vertė iš vartų tvarkyklės / valdiklio atskaitos duomenų) ir 300 pF pralaidumo talpa (pagal MOSFET specifikaciją), iš 11 lygties gauname didžiausią vertę. R DS (ĮJUNGTA) 25 °C apie 26,2 mΩ. Perskaičiavus ir susumavus kanalų ir perjungimo nuostolius, galutiniame rezultate gaunama 0,676 W galios sklaidos vertė. Naudodami šį skaičių galite apskaičiuoti, kad didžiausias leistinas tam tikro MOSFET temperatūros kilimas yra 101 ° C. Ši vertė yra leistinoje temperatūros diapazone.

NAUDINGAS ŽEMYNĖS KONVERTERIO EFEKTYVUMAS

Sumažinus energijos nuostolius, pailgės baterijos veikimo laikas ir sumažės keitiklio šilumos išsklaidymas. Šios formulės pateikia kiekvienos keitiklio sekcijos galios nuostolių apskaičiavimą.

Įvesties kondensatoriaus ESR praradimas:

Diodų nuostoliai, MOSFET įjungimo varža ir perjungimo nuostoliai apskaičiuojami naudojant 6, 9 ir 12 lygtis.

SCT droselio nuostoliai:

Išėjimo kondensatoriaus ESR praradimas:

Varinių laidininkų nuostoliai: šiuos nuostolius sunku tiksliai apskaičiuoti, bet pav. 5 pateikiamas apytikslis kvadratinio vario gabalo spausdintinės plokštės varžos vertės įvertinimas. Naudojant pav. 5, nuostoliams apskaičiuoti gali būti naudojama paprasta I 2 R galios sklaidos lygtis.

Ryžiai. 5. Vienos uncijos vario kvadrato formos varža yra maždaug 0,5 mΩ

Ši lygtis apibendrina visus keitiklio nuostolius ir į juos įtraukiama keitiklio efektyvumo išraiška:

Darant prielaidą, kad vario nuostoliai yra 0,75 W, šio keitiklio efektyvumas yra 69,5%. Silicio diodą pakeitus Schottky diodu, efektyvumas padidėja iki 79,6%, o naudojant MOSFET sinchroninį lygintuvą vietoj diodų efektyvumas padidės iki 85% esant pilnai apkrovai.

Ryžiai. 6.

Fig. 6 parodyta keitiklio galios nuostolių analizė. Vario masės padvigubinimas iki 60 g arba tris kartus iki 90 g sumažina vario nuostolius ir taip padidina efektyvumą nuo 86 iki 87%.

Kruopštus PCB išdėstymas yra svarbus veiksnys siekiant sumažinti perjungimo nuostolius ir keitiklio stabilumą. Iš pradžių laikykitės šių gairių:

• Didelės srovės grandinės, ypač ties įžeminimo laidais, turi būti kuo trumpesnės.
• Sumažinkite induktoriaus, MOSFET ir diodo / sinchroninio lygintuvo laidų ilgį.
• Maitinimo ir apkrovos linijos turi būti trumpos ir plačios. Šis metodas yra labai svarbus norint pasiekti aukštą efektyvumą.
• Srovei ir įtampos imtuvams jautrius komponentus ir laidus dėkite toliau nuo perjungimo mazgų.

CHARAKTERISTIKOS

Kuriant ar modifikuojant pakopinio perjungimo reguliatoriaus grandinę (kuri veikia RNT naudojant PWM), pagal šiame straipsnyje pateiktas lygtis galima apskaičiuoti pagrindinių komponentų parametrus ir reikalingas charakteristikas. Norint patikrinti galutinės konstrukcijos elektrines ir šilumines charakteristikas, visada reikia atlikti laboratorinį grandinės bandymą. Kad grandinės veikimas būtų patenkinamas, teisingas PCB išdėstymas ir racionalus komponentų išdėstymas yra tokie pat svarbūs, kaip ir tinkamų komponentų pasirinkimas.

Dėl techninės informacijos
susisiekite su KOMPEL.
El. paštas:

Nauji RS-485 siųstuvai-imtuvai

Maxim Integrated Products pristato pusiau dvipusį imtuvą
RS-485 sąsajos siųstuvai MAX13487E / MAX13488E... Šių mikroschemų ypatybė yra „AutoDirection Control“ funkcija, kuri automatiškai leidžia vairuotojui dirbti duomenų perdavimo metu. Ši funkcija pašalina siųstuvo valdymo įvesties poreikį, todėl sutaupoma vietos ir mažiau komponentų elektra izoliuotuose prietaisuose, automobilių ir pramonės srityse.

MAX13487E mikroschema užtikrina ± 15 kV statinės elektros apsaugą (ESD) pagal IEC 61000-4-2 oro tarpo metodo bandymo metodą. Tuo pačiu metu abi mikroschemos užtikrina apsaugą nuo ± 15 kV statinės elektros iškrovos, išbandytos pagal žmogaus kūno modelio metodą. MAX13487E siųstuvai riboja sukimosi dažnį ir sumažina EMI. Jie skirti veikti aplinkoje, kurioje yra padidintas išorinių trukdžių lygis, ir leidžia be klaidų perduoti duomenis iki 500 kbaud greičiu. MAX13488E duomenų perdavimo sparta yra iki 16 Mbaud. Be to, bendra šių mikroschemų imtuvų įėjimo varža yra 1/4 standartinės vertės, todėl prie tinklo galima prijungti iki 128 siųstuvų-imtuvų.

MAX13487E / MAX13488E eksploatacinės temperatūros diapazonas yra nuo -40 °C iki 85 °C. Mikroschemos yra standartinėje 8 kontaktų SOIC pakuotėje.