Convertitori CC-CC

Per alimentare varie apparecchiature elettroniche, i convertitori CC / CC sono ampiamente utilizzati. Sono utilizzati in dispositivi informatici, dispositivi di comunicazione, vari circuiti di controllo e automazione, ecc.

Alimentatori per trasformatori

Negli alimentatori tradizionali per trasformatori, la tensione della rete viene convertita utilizzando un trasformatore, molto spesso abbassato, nel valore desiderato. tensione ridotta rettificato da un ponte a diodi e levigato da un filtro a condensatore. Se necessario, uno stabilizzatore a semiconduttore viene posizionato dopo il raddrizzatore.

Gli alimentatori per trasformatori sono generalmente dotati di stabilizzatori lineari. Ci sono almeno due vantaggi di tali stabilizzatori: è un piccolo costo e un piccolo numero di parti nell'imbracatura. Ma questi vantaggi sono consumati dalla bassa efficienza, poiché una parte significativa della tensione di ingresso viene utilizzata per riscaldare il transistor di controllo, il che è completamente inaccettabile per l'alimentazione di dispositivi elettronici portatili.

Convertitori CC / CC

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

L'idea è abbastanza semplice: una tensione costante viene convertita in tensione alternata, di regola, con una frequenza di diverse decine e persino centinaia di kilohertz, aumenta (diminuisce), quindi viene rettificata e fornita al carico. Tali convertitori sono spesso chiamati impulsi.

Un esempio è il convertitore boost da 1,5 V a 5 V, solo la tensione di uscita di un computer USB. Un convertitore di potenza simile è venduto su Aliexpress.

Fig. 1. Convertitore 1,5 V / 5 V.

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

Classificazione dei convertitori

Step-down o buck

La tensione di uscita di questi convertitori, di regola, è inferiore all'ingresso: senza perdite speciali per il riscaldamento del transistor di controllo, è possibile ottenere una tensione di pochi volt con una tensione di ingresso di 12 ... 50 V. La corrente di uscita di tali convertitori dipende dalla richiesta del carico, che a sua volta determina i circuiti del convertitore.

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

Step-up o boost nella terminologia inglese

La tensione di uscita di questi convertitori è superiore all'ingresso. Ad esempio, con una tensione di ingresso di 5 V, è possibile ottenere un'uscita fino a 30 V ed è possibile regolare e stabilizzare senza problemi. I convertitori boost sono spesso chiamati booster.

Convertitori universali - SEPIC

La tensione di uscita di questi convertitori viene mantenuta a un livello predeterminato con una tensione di ingresso sia superiore a quella in ingresso e inferiore. Si consiglia nei casi in cui la tensione di ingresso può variare in modo significativo. Ad esempio, in un'auto, la tensione della batteria può variare tra 9 ... 14 V e è necessario ottenere una tensione stabile di 12V.

Inversione di convertitori - inversione di convertitore

La funzione principale di questi convertitori è quella di ottenere la tensione di uscita di polarità inversa rispetto alla fonte di alimentazione. Molto conveniente nei casi in cui è richiesta la nutrizione bipolare, per esempio per alimentare l'amplificatore operazionale.

Tutti questi convertitori possono essere stabilizzati o non stabilizzati, la tensione di uscita può essere collegata galvanicamente all'ingresso o avere un isolamento galvanico delle tensioni. Tutto dipende dal dispositivo specifico in cui verrà utilizzato il convertitore.

Per procedere all'ulteriore discussione sui convertitori DC / DC, si dovrebbe almeno occuparsi della teoria.

Chopper down converter - convertitore di tipo buck

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

Fig.2 Schema funzionale dello stabilizzatore chopper

La tensione di ingresso Uin viene applicata al filtro di ingresso - condensatore Cin. Il transistor VT viene utilizzato come elemento chiave; esegue la commutazione di corrente ad alta frequenza. Potrebbe essere Transistor a struttura MOSFET, IGBT o transistor bipolare convenzionale. Oltre a queste parti, il circuito contiene un diodo di scarica VD e un filtro di uscita - LCout, da cui la tensione entra nel carico Rн.

È facile vedere che il carico è collegato in serie con gli elementi VT e L. Pertanto, il circuito è coerente. Come si verifica la sottotensione?

Modulazione di larghezza di impulso - PWM

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

Fig. 3 Impulsi di controllo

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

Pertanto, D può variare da 0 a 1. Con un valore di D = 1, il transistor chiave si trova in uno stato di piena conduttività e in D = 0 in uno stato di interruzione, semplicemente parlando, è chiuso. È facile intuire che con D = 50% la tensione di uscita sarà uguale alla metà dell'ingresso.

È abbastanza ovvio che la regolazione della tensione di uscita si verifica a causa di una variazione della larghezza dell'impulso di controllo t e, di fatto, di una variazione del coefficiente D. Questo principio di regolazione è chiamato PWM modulato in larghezza di impulso (PWM). In quasi tutti gli alimentatori a commutazione, è proprio con l'aiuto di PWM che la tensione di uscita è stabilizzata.

Negli schemi mostrati nelle Figure 2 e 6, il PWM è "nascosto" nei rettangoli con la scritta "Circuito di controllo", che svolge alcune funzioni aggiuntive. Ad esempio, può essere un avvio regolare della tensione di uscita, l'accensione remota o la protezione del convertitore da corto circuito.

In generale, i convertitori erano così ampiamente utilizzati che le aziende che producevano componenti elettronici predisposti per controller PWM per tutte le occasioni. La gamma è così ampia che solo per elencarli avrai bisogno di un intero libro. Pertanto, non viene in mente a nessuno di assemblare convertitori su elementi discreti, o come spesso dicono su "polvere sciolta".

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

Ma torniamo alla nostra figura 3. In questo caso, il coefficiente D determina quanto tempo sarà aperto (fase 1) o chiuso (fase 2) transistor chiave. Per queste due fasi, puoi immaginare il diagramma in due figure. Le figure NON MOSTRANO quegli elementi che non sono utilizzati in questa fase.

Fig. 4 Fase 1

Quando il transistor è aperto, la corrente proveniente dalla fonte di alimentazione (cella galvanica, batteria, raddrizzatore) passa attraverso uno starter induttivo L, un carico Rн e un condensatore di carica Cout. Allo stesso tempo, una corrente scorre attraverso il carico, il condensatore Cout e l'induttore L accumulano energia. L'attuale iL aumenta gradualmente, influisce l'effetto dell'induttanza dell'induttore. Questa fase si chiama pompaggio.

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

Fig. 5 Fase 2

Quando il transistor VT è chiuso, non vi è rifornimento di energia nell'induttore, poiché la fonte di alimentazione è scollegata. L'induttanza L tende a prevenire un cambiamento nell'intensità e nella direzione della corrente (autoinduzione) che scorre attraverso l'avvolgimento dell'induttore.

Pertanto, la corrente non può arrestarsi istantaneamente e si chiude attraverso il circuito di carico del diodo. Per questo motivo, il diodo VD è chiamato bit. Di norma, questo è un diodo Schottky ad alta velocità. Dopo il periodo di controllo della fase 2, il circuito passa alla fase 1, il processo viene ripetuto di nuovo. La tensione massima all'uscita del circuito considerato può essere uguale all'ingresso e non di più. Per ottenere una tensione di uscita superiore alla tensione di ingresso, vengono utilizzati i convertitori boost.

Va notato che, in realtà, non tutto è così semplice come sopra scritto: si presume che tutti i componenti siano perfetti, ad es. l'accensione e lo spegnimento avvengono senza indugio e la resistenza attiva è zero. Nella fabbricazione pratica di tali schemi, è necessario tenere conto di molte sfumature, poiché molto dipende dalla qualità dei componenti utilizzati e dalla capacità parassita dell'installazione. Solo su un dettaglio così semplice come l'acceleratore (beh, solo una bobina di filo!), Puoi scrivere più di un articolo.

Per ora, è necessario solo ricordare il valore dell'induttanza, che determina due modalità di funzionamento del chopper. Con un'induttanza insufficiente, il convertitore funzionerà in modalità di corrente discontinua, il che è completamente inaccettabile per le fonti di alimentazione.

Se l'induttanza è abbastanza grande, allora il lavoro si svolge nella modalità di correnti inestricabili, che consente di utilizzare i filtri di uscita per ottenere una tensione costante con un livello accettabile di ondulazione. Nella modalità corrente continua, funzionano anche i convertitori step-up, che saranno descritti di seguito.

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

Step-up o boost boost converter

I convertitori boost sono utilizzati principalmente per l'alimentazione a bassa tensione, ad esempio da due a tre batterie, e alcuni componenti richiedono 12 ... 15 V con basso consumo di corrente. Abbastanza spesso, il convertitore boost è brevemente e chiaramente chiamato la parola "booster".

Fig.6 Schema funzionale del convertitore boost

La tensione di ingresso Uin viene applicata al filtro di ingresso Cin e applicata alla serie collegata induttore L e transistor di commutazione VT. Un diodo VD è collegato al punto di connessione della bobina e drenaggio del transistor. Un carico Rн e un condensatore di shunt Cout sono collegati all'altro terminale del diodo.

Il transistor VT è controllato da un circuito di controllo che genera un segnale di controllo di frequenza stabile con un ciclo di lavoro D regolabile, allo stesso modo descritto sopra nella descrizione del circuito del chopper (Fig. 3). Il diodo VD al momento giusto blocca il carico dal transistor chiave.

Quando il transistor chiave è aperto, l'uscita sul lato destro della bobina L è collegata al polo negativo dell'alimentatore Uin. L'aumento della corrente (l'effetto dell'induttanza influisce) dalla fonte di alimentazione scorre attraverso la bobina e un transistor aperto, l'energia viene accumulata nella bobina.

A questo punto, il diodo VD blocca il carico e il condensatore di uscita dal circuito chiave, impedendo così lo scarico del condensatore di uscita attraverso un transistor aperto. Il carico in questo momento è alimentato dall'energia immagazzinata nel condensatore Cout. Naturalmente, la tensione attraverso il condensatore di uscita diminuisce.

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

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

Convertitori universali - SEPIC (convertitore induttore primario single-ended o convertitore con induttanza primaria caricata asimmetricamente).

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

Fig. 7 Schema funzionale del convertitore SEPIC

È molto simile al circuito del convertitore boost mostrato nella Figura 6, ma presenta elementi aggiuntivi: condensatore C1 e bobina L2. Sono questi elementi che assicurano il funzionamento del convertitore in modalità di minima tensione.

I convertitori SEPIC vengono utilizzati nei casi in cui la tensione di ingresso varia ampiamente. Un esempio è il regolatore di convertitore step-down di tensione buck buck boost da 4V-35V a 1.23V-32V. È con questo nome che un convertitore viene venduto nei negozi cinesi, il cui circuito è mostrato nella Figura 8 (fare clic sull'immagine per ingrandirla).

Fig.8 Diagramma schematico del convertitore SEPIC

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

Fig.9 Aspetto del convertitore SEPIC

La figura mostra le parti principali secondo la Figura 7. Prestare attenzione alla presenza di due bobine L1 L2. Sulla base di questa funzione, si può determinare che si tratta esattamente del convertitore SEPIC.

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

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

Vedi anche: Commutazione degli alimentatori - principio di funzionamento

Boris Aladyshkin