Convertitori di tensione impulsivi senza trasformatore

Molti prosciutti principianti trovano difficile determinare il tipo di alimentazione, ma non è così difficile. I principali metodi di conversione della tensione sono l'utilizzo di una delle due opzioni di circuito:

• trasformatore;

• Alimentatori senza trasformatore.

A loro volta, i trasformatori si differenziano per il tipo di circuito:

• Rete, con un trasformatore che funziona a una frequenza di 50 Hz;

• Impulso, con un trasformatore che funziona ad alte frequenze (decine di migliaia di Hz).

I circuiti a impulsi degli alimentatori possono aumentare l'efficienza complessiva del prodotto finale, evitando perdite statiche su stabilizzatori lineari e altri elementi.

Circuiti senza trasformatore

Se è necessaria l'alimentazione da un alimentatore domestico da 220 V, i dispositivi più semplici possono essere accesi dagli alimentatori utilizzando elementi di zavorra per ridurre la tensione. Un esempio ampiamente noto di tale fonte di energia è un circuito di condensatori di zavorra.

Tuttavia, esistono numerosi driver con built-in Controller PWM e un interruttore di alimentazione per costruire un convertitore buck buck senza trasformatore, questi sono molto comuni in Lampadine a LED e altra tecnologia.

In caso di alimentazione da una fonte di corrente continua, ad esempio batterie o altre batterie galvaniche, utilizzare:

• Stabilizzatore di tensione lineare (stabilizzatore di tipo KEN o L78xx integrale con o senza transistor passante, stabilizzatore parametrico da diodo zener e transistor)

• Convertitore di impulsi (step-down - BUCK, step-up - BOOST o step-up - BUCK-BOOST)

I vantaggi degli alimentatori e convertitori senza trasformatore sono i seguenti:

• Non è necessario avvolgere il trasformatore, la conversione viene eseguita dall'acceleratore e dai tasti;

• Una conseguenza della precedente sono le piccole dimensioni delle fonti di energia.

svantaggi:

• L'assenza di isolamento galvanico, in caso di malfunzionamento dei tasti porta alla comparsa di tensione della fonte di alimentazione primaria. Ciò è fondamentale soprattutto se il suo ruolo è svolto da una rete a 220 V;

• Pericolo di scossa elettrica a causa dell'accoppiamento galvanico;

• Le grandi dimensioni dell'induttore sui convertitori ad alta potenza mettono in dubbio la fattibilità dell'utilizzo di questa topologia di alimentatori. Con indicatori comparabili di peso e dimensioni, è possibile utilizzare un trasformatore, un convertitore isolato galvanicamente.

Le principali varietà di convertitori di tensione di commutazione

Nella letteratura domestica si trova spesso l'abbreviazione "IPPN", che significa: Convertitore di tensione Pulse Step-down (o step-up, o entrambi)

Come base, si possono distinguere tre schemi di base.

1. IPPN1 - Convertitore step-down, in letteratura inglese - BUCK DC CONVERTER o Step-down.

2. IPPN2 - Convertitore boost, in letteratura inglese - BOOST DC CONVERTER o Step-up.

3. IPPN3 - Inversione del convertitore con possibilità di aumentare o diminuire la tensione, CONVERTITORE CC BUCK-BOOST.

Come funziona un convertitore buck pulsato?

Cominciamo considerando il principio di funzionamento del primo schema: IPPN1.

 

Nello schema, si possono distinguere due circuiti di potenza:

1. "+" dalla fonte di alimentazione viene fornito attraverso una chiave privata (transistor di qualsiasi tipo della conduttività corrispondente) a Lн (induttanza di memoria), quindi la corrente scorre attraverso il carico alla fonte di alimentazione "-".

2. Il secondo circuito è formato da diodo Д, acceleratore Lн e carico collegato Rн.

Quando la chiave è chiusa, la corrente passa lungo il circuito primario, la corrente scorre attraverso l'induttore e l'energia viene accumulata nel suo campo magnetico. Quando spegniamo (apriamo) la chiave, l'energia immagazzinata nella bobina viene dissipata nel carico, mentre la corrente scorre attraverso il secondo circuito.

La tensione all'uscita (carico) di un tale convertitore è

Uout = Uin * Ku

Ku è il coefficiente di conversione, che dipende dal ciclo di lavoro degli impulsi di controllo dell'interruttore di alimentazione.

Ku = Uout / Uin

Il duty cycle "D" è il rapporto tra il tempo in cui la chiave è aperta al periodo PWM. "D" può assumere valori da 0 a 1.

IMPORTANTE: per STI1 Ku = D. Ciò significa che i limiti di regolazione di questo stabilizzatore sono approssimativamente uguali - 0 ... Uout.

La tensione di uscita di un tale convertitore è simile nella polarità alla tensione di ingresso.

In che modo un impulso aumenta il convertitore di tensione

IPPN2 - è in grado di aumentare la tensione dalla tensione di alimentazione a un valore decine di volte superiore a quello. Schematicamente, è costituito dagli stessi elementi del precedente.

Qualsiasi convertitore di questo tipo ha nella sua composizione tre principali ingredienti attivi:

• Chiave gestita (bipolare, campo, Transistori IGBT, MOSFET);

• Chiave non controllata (diodo raddrizzatore);

• Induttanza cumulativa.

La corrente scorre sempre attraverso l'induttanza, cambia solo la sua grandezza.

Per comprendere il principio di funzionamento di questo convertitore, è necessario ricordare la legge di commutazione per l'induttore: "La corrente attraverso l'induttore non può cambiare istantaneamente".

Ciò è causato da un fenomeno come l'auto-induzione EMF o contro-EMF. Poiché il campo elettromagnetico dell'induttanza impedisce un brusco cambiamento di corrente, la bobina può essere rappresentata come fonte di energia. Quindi in questo circuito, quando la chiave si chiude attraverso la bobina, inizia a fluire una grande corrente, ma, come è stato detto bruscamente, non può aumentare.

Il contro-EMF è un fenomeno quando alle estremità della bobina un EMF appare opposto a ciò che viene applicato. Se lo presenti nel diagramma per chiarezza, dovrai immaginare l'induttore sotto forma di una fonte di EMF.

Il numero "1" indica lo stato del circuito quando la chiave è chiusa. Si noti che la bobina di alimentazione e il simbolo EMF sono collegati in serie con i terminali positivi, ad es. i loro valori EMF vengono sottratti. In questo caso, l'induttanza impedisce il passaggio della corrente elettrica, o piuttosto ne rallenta la crescita. Man mano che cresce, dopo un certo intervallo di tempo costante, il valore del contatore-EMF diminuisce e la corrente attraverso l'induttanza aumenta.

Digressione lirica:

Il valore dell'EMF di autoinduzione, come qualsiasi altro EMF, è misurato in Volt.

Durante questo periodo di tempo, la corrente principale scorre lungo il circuito: chiave di alimentazione-induttanza-chiusa.

Quando si apre la chiave SA, il circuito 2. La corrente inizia a fluire lungo tale circuito: alimentazione induttanza-diodo-carico. Poiché la resistenza di carico, spesso molto più della resistenza del canale di un transistor chiuso. In questo caso, ancora una volta - la corrente che fluisce attraverso l'induttanza non può cambiare bruscamente, l'induttanza cerca sempre di mantenere la direzione e l'entità della corrente, quindi il contro-EMF appare di nuovo, ma in polarità inversa.

Notare come nel secondo diagramma sono collegati i poli della fonte di alimentazione e della fonte EMF che sostituiscono la bobina. Sono collegati in serie da poli opposti e i valori di questi campi elettromagnetici vengono sommati.

Pertanto, si verifica un aumento della tensione.

Durante il processo di immagazzinamento dell'energia dell'induttanza, il carico è alimentato dall'energia che era precedentemente immagazzinata nel condensatore di livellamento.

Il coefficiente di conversione in IPPN2 è

Ku = 1 / (1-D)

Come si può vedere dalla formula: maggiore è la D del ciclo di lavoro, maggiore è la tensione di uscita. La polarità della potenza di uscita è la stessa dell'ingresso per questo tipo di convertitore.

Come funziona il convertitore di tensione invertente

Il convertitore di tensione a inversione è un dispositivo piuttosto interessante, perché può funzionare sia in modalità di abbassamento di tensione che in modalità boost. Tuttavia, vale la pena considerare che la polarità della sua tensione di uscita è opposta all'ingresso, cioè potenziale positivo è sul filo comune.

L'inversione è evidente anche nella direzione in cui è acceso il diodo D. Il principio di funzionamento è un po 'simile a IPPN2. Nel momento in cui la chiave T è chiusa, si verifica il processo di accumulo di energia di induttanza, l'alimentazione dalla sorgente non entra nel carico a causa del diodo D. Quando la chiave è chiusa, l'energia di induttanza inizia a dissiparsi nel carico.

La corrente continua a fluire attraverso l'induttanza, si verifica un EMF di autoinduzione, diretto in modo tale che alle estremità della bobina si formi una polarità opposta alla fonte di alimentazione primaria. ie nella giunzione dell'emettitore del transistor (drain, if transistor ad effetto di campo), il catodo del diodo e l'estremità dell'avvolgimento della bobina formano un potenziale negativo. All'estremità opposta, rispettivamente, è positivo.

Il fattore di conversione IPPN3 è uguale a:

Ku = D / (1-D)

Sostituendo semplicemente il fattore di riempimento nella formula, determiniamo che fino a un valore di D di 0,5, questo convertitore agisce come un convertitore verso il basso e dall'alto - come un convertitore verso l'alto.

Come controllare un tale convertitore?

È possibile descrivere tutte le opzioni per costruire controller PWM per un tempo infinitamente lungo; su questo si possono scrivere diversi volumi di documentazione tecnica. Voglio limitarmi a elencare alcune semplici opzioni:

1. Montare un circuito multivibratore asimmetrico. Invece di VT3, un transistor è collegato nei circuiti IPPN.

2. È un'opzione leggermente più complicata, ma più stabile in termini di frequenza PWM su NE555 (clicca sull'immagine per ingrandirla).

Apporta modifiche al circuito, VT1 è un transistor, cambiamo il circuito in modo che al suo posto vi sia un transistor IPPN.

3. Opzione da usare microcontrollore, quindi puoi anche svolgere molte funzioni aggiuntive, per i principianti funzioneranno bene Microcontrollori AVR. C'è un meraviglioso video tutorial su questo.

risultati

I convertitori di tensione di commutazione sono un argomento molto importante nel settore degli alimentatori per apparecchiature elettroniche. Tali circuiti sono utilizzati ovunque e, di recente, con la crescita di "fatti in casa" o come è ormai di moda chiamare "fai-da-te" e la popolarità del sito web aliexpress, tali convertitori sono diventati particolarmente popolari e richiesti, è possibile ordinare un circuito già pronto che è già diventato un convertitore classico per LM2596 e simili per solo un paio di dollari, mentre hai la possibilità di regolare la tensione o la corrente, o entrambi.

 

Un'altra scheda popolare è il mini-360

Si può notare che non c'è transistor in questi circuiti. Il fatto è che è integrato nel chip, ad eccezione del fatto che c'è un controller PWM, circuiti di feedback per stabilizzare la tensione di uscita e altro ancora. Tuttavia, questi circuiti possono essere amplificati installando un transistor aggiuntivo.

Se sei interessato a progettare un circuito per le tue esigenze, puoi leggere ulteriori informazioni sui rapporti di progettazione nella seguente letteratura:

• "Componenti per la costruzione di fonti di energia", Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Convertitori a transistor stabilizzati" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.