Najprostsze beztransformatorowe przetworniki napięcia impulsowego
Wielu początkującym radioamatorom trudno jest określić rodzaj zasilania, ale nie jest to takie trudne. Główne metody konwersji napięcia to użycie jednej z dwóch opcji obwodów:
Treść artykułu
Z kolei transformatory różnią się rodzajem obwodu:
Sieć z transformatorem pracującym na częstotliwości 50 Hz;
Impulsowy, z transformatorem pracującym na wysokich częstotliwościach (dziesiątki tysięcy Hz).
Przełączanie obwodów zasilania pozwala na zwiększenie ogólnej sprawności produktu końcowego poprzez uniknięcie strat statycznych na stabilizatorach liniowych i innych elementach.
Obwody beztransformatorowe
Jeśli istnieje zapotrzebowanie na zasilanie z domowego zasilacza 220 V, najprostsze urządzenia można włączyć z zasilaczy za pomocą elementów balastowych w celu obniżenia napięcia. Znanym przykładem takiego zasilacza jest obwód kondensatora balastowego.
Istnieje jednak szereg sterowników z wbudowanym kontrolerem PWM i wyłącznikiem zasilania do budowy beztransformatorowego przetwornika impulsowego, takie sterowniki są bardzo popularne w żarówkach LED i innych urządzeniach.
W przypadku zasilania ze źródła prądu stałego np. baterii lub innych baterii galwanicznych należy stosować:
Liniowy regulator napięcia (zintegrowany regulator typu KREN lub L78xx z lub bez tranzystora przepustowego, stabilizator parametryczny diody Zenera i tranzystora)
Konwerter przełączający (buck – BUCK, boost – BOOST lub buck-boost – BUCK-BOOST)
Zaletą zasilaczy i konwerterów beztransformatorowych jest:
Nie ma potrzeby nawijania transformatora, konwersja odbywa się dzięki dławikowi i kluczom;
Konsekwencją poprzedniego są małe wymiary źródeł zasilania.
Brak izolacji galwanicznej w przypadku awarii kluczy prowadzi do pojawienia się napięcia podstawowego źródła zasilania. Jest to szczególnie ważne, jeśli swoją rolę odgrywa sieć 220 V;
Niebezpieczeństwo porażenia prądem w wyniku sprzężenia galwanicznego;
Duże wymiary cewki indukcyjnej w przetwornikach dużej mocy podają w wątpliwość możliwość zastosowania tej topologii zasilania. Przy porównywalnych wskaźnikach wagi i wielkości możliwe jest zastosowanie transformatora, przekształtnika izolowanego galwanicznie.
Główne typy przetwornic napięcia impulsowego
W literaturze krajowej często pojawia się skrót „IPPN”, który oznacza: Przełączanie konwertera napięcia Step-Down (lub Boost lub obu)
Jako podstawę można wyróżnić trzy podstawowe schematy.
1. IPPN1 – Konwerter Step-down, w literaturze anglojęzycznej – BUCK DC CONVERTER lub Step-down.
2. IPPN2 – Boost converter, w literaturze angielskiej – BOOST DC CONVERTER lub Step-up.
3. IPPN3 – Przetwornica odwracająca z możliwością zarówno zwiększania jak i zmniejszania napięcia, BUCK-BOOST DC CONVERTER.
Jak działa przełączający konwerter buck?
Zacznijmy od przyjrzenia się, jak działa pierwszy obwód – IPPN1.
W obwodzie można wyróżnić dwa obwody zasilania:
1. „+” ze źródła zasilania jest doprowadzony kluczem prywatnym (tranzystor dowolnego typu o odpowiedniej przewodności) do Ln (cewka akumulacyjna), następnie prąd płynie przez obciążenie do źródła zasilania „-”.
2. Drugi obwód składa się z diody D, dławika Ln i podłączonego obciążenia Rn.
Gdy przełącznik jest zamknięty, prąd przepływa przez pierwszy obwód, prąd przepływa przez cewkę indukcyjną, a energia gromadzi się w jej polu magnetycznym. Gdy wyłączymy (otworzymy) przełącznik, energia zmagazynowana w cewce jest rozpraszana do obciążenia, podczas gdy prąd płynie przez drugi obwód.
Napięcie na wyjściu (obciążeniu) takiego konwertera jest równe
Ku to współczynnik konwersji, który zależy od cyklu pracy impulsów sterujących wyłącznika zasilania.
Cykl pracy „D” to stosunek czasu otwarcia klucza do okresu PWM. „D” może przyjmować wartości od 0 do 1.
WAŻNE: Dla IPPN1 Ku=D. Oznacza to, że granice kontrolne tego stabilizatora są w przybliżeniu równe – 0 . Uout.
Napięcie na wyjściu takiego konwertera ma polaryzację zbliżoną do napięcia na wejściu.
Jak działa konwerter doładowania przełączającego
IPPN2 – jest w stanie podnieść napięcie od napięcia zasilania do wartości dziesięciokrotnie wyższej niż to. Schematycznie składa się z tych samych elementów, co poprzedni.
Dowolny konwerter tego typu ma w swoim składzie trzy główne składniki aktywne:
Sterowany klucz (tranzystory bipolarne, polowe, IGBT, MOSFET);
Niekontrolowany klucz (dioda prostownicza);
Prąd zawsze przepływa przez cewkę indukcyjną, zmienia się tylko jego wielkość.
Aby zrozumieć zasadę działania tego konwertera, należy pamiętać o prawie przełączania cewki indukcyjnej: „Prąd płynący przez cewkę indukcyjną nie może się natychmiast zmienić”.
Jest to spowodowane zjawiskiem zwanym samoindukcyjnym emf lub back emf. Ponieważ pole elektromagnetyczne indukcyjności zapobiega nagłej zmianie prądu, cewkę można traktować jako źródło zasilania. Następnie w tym obwodzie, gdy klucz zamyka cewkę, zaczyna płynąć duży prąd, ale, jak już wspomniano, nie może gwałtownie wzrosnąć.
Back-EMF to zjawisko, gdy siła elektromotoryczna występuje na końcach cewki przeciwnej do zastosowanej. Jeśli przedstawisz to na schemacie dla jasności, będziesz musiał przedstawić cewkę indukcyjną jako źródło pola elektromagnetycznego.
Liczba „1” wskazuje stan obwodu, gdy kluczyk jest zamknięty. Należy pamiętać, że źródło zasilania i symbol EMF cewki są połączone szeregowo za pomocą zacisków dodatnich, tj. ich wartości EMF są odejmowane. W tym przypadku indukcyjność uniemożliwia przepływ prądu elektrycznego, a raczej spowalnia jego wzrost. Wraz ze wzrostem, po pewnym stałym przedziale czasowym, wartość siły przeciwelektromotorycznej maleje, a prąd płynący przez indukcyjność wzrasta.
Dygresja liryczna:
Wartość pola elektromagnetycznego indukcji własnej, jak każda inna pole elektromagnetyczne, jest mierzona w woltach.
W tym czasie przez obwód płynie prąd główny: zasilacz-indukcyjność-zamknięty klucz.
Gdy przełącznik SA otwiera się, obwód 2. Prąd zaczyna płynąć w tym obwodzie: zasilanie-indukcyjność-obciążenie diody. Ponieważ rezystancja obciążenia jest często znacznie większa niż rezystancja kanału zamkniętego tranzystora. W tym przypadku znowu – prąd przepływający przez indukcyjność nie może się gwałtownie zmienić, indukcyjność zawsze stara się utrzymać kierunek i wielkość prądu, dlatego z powrotem EMF pojawia się ponownie, ale już w odwrotnej polaryzacji.
Zwróć uwagę na to, jak bieguny Źródła Zasilania i źródła EMF zastępującego cewkę są połączone na drugim schemacie. Są połączone szeregowo z przeciwległymi biegunami, a wielkości tych emfów się sumują.
W ten sposób napięcie wzrasta.
Podczas procesu magazynowania energii indukcyjności obciążenie jest zasilane energią, która była wcześniej zmagazynowana w kondensatorze wygładzającym.
Współczynnik konwersji w IPPN2 jest równy
Jak widać ze wzoru, im większy D to współczynnik wypełnienia, tym większe napięcie wyjściowe. Polaryzacja mocy wyjściowej jest taka sama jak na wejściu tego typu konwertera.
Jak działa falownik napięcia
Przetwornica napięcia falownika jest dość ciekawym urządzeniem, ponieważ może pracować zarówno w trybie redukcji napięcia, jak i w trybie podbicia napięcia. Należy jednak pamiętać, że polaryzacja jego napięcia wyjściowego jest przeciwna do wejściowej, tj. dodatni potencjał jest na wspólnym przewodzie.
Odwrócenie jest również zauważalne w kierunku, w którym zaświecona jest dioda D. Zasada działania jest nieco podobna do IPPN2. W momencie, gdy wyłącznik T jest zwarty, następuje proces kumulacji energii indukcyjności, moc ze źródła nie wchodzi do obciążenia dzięki diodzie D. Gdy wyłącznik jest zamknięty, zaczyna się energia indukcyjności rozproszyć się w ładunku.
Prąd nadal przepływa przez indukcyjność, pojawia się samoindukcyjne emf, skierowane w taki sposób, że na końcach cewki powstaje biegunowość przeciwna do pierwotnego źródła zasilania. Tych. ujemny potencjał powstaje w węźle przyłączeniowym emitera tranzystora (odpływ, jeśli tranzystor jest efektem polowym), katodzie diody i końcu uzwojenia cewki. Na przeciwległym końcu odpowiednio pozytywny.
Współczynnik konwersji IPPN3 to:
Poprzez proste podstawienie współczynnika wypełnienia we wzorze określamy, że do wartości D 0.5 konwerter ten działa jak step-down, a powyżej – step-up.
Jak zarządzać takim konwerterem?
Wszystkie możliwości budowania sterowników PWM można opisywać w nieskończoność, można na ten temat napisać kilka tomów literatury technicznej. Chcę ograniczyć się do wymienienia kilku prostych opcji:
1. Złóż obwód asymetrycznego multiwibratora. Zamiast VT3 w obwodach IPPN podłączony jest tranzystor.
2. Nieco bardziej skomplikowaną opcją, ale bardziej stabilną pod względem częstotliwości, jest PWM w NE555 (kliknij na zdjęcie, aby powiększyć).
Dokonaj edycji w obwodzie, VT1 to tranzystor, zmieniamy obwód tak, aby na jego miejscu był tranzystor IPPN.
3. Możliwość zastosowania mikrokontrolera, dzięki czemu można również wykonać wiele dodatkowych funkcji, mikrokontrolery AVR są dobre dla początkujących. Jest na ten temat świetny samouczek wideo.
odkrycia
Przetwornice napięcia przełączania są bardzo ważnym tematem w branży zasilania urządzeń elektronicznych. Takie obwody są używane wszędzie, a ostatnio, wraz ze wzrostem „domowej roboty” lub, jak teraz modne jest nazywanie „zrób to sam” i popularnością strony internetowej aliexpress, takie konwertery stały się szczególnie popularne i pożądane, możesz zamów gotową płytkę, która stała się już klasycznym konwerterem w LM2596 i tym podobnych za zaledwie kilka dolarów, a otrzymasz możliwość regulacji napięcia lub prądu, lub obu.
Inną popularną deską jest mini-360
Możesz zauważyć, że w tych obwodach nie ma tranzystora. Faktem jest, że jest wbudowany w mikroukład, oprócz tego jest kontroler PWM, obwody sprzężenia zwrotnego do stabilizacji napięcia wyjściowego i wiele innych. Obwody te można jednak ulepszyć, dodając dodatkowy tranzystor.
Jeśli jesteś zainteresowany zaprojektowaniem obwodu dla swoich potrzeb, możesz bardziej szczegółowo zapoznać się z poniższą literaturą z obliczonymi współczynnikami:
„Komponenty do budowy zasilaczy”, Michaił Baburin, Aleksiej Pawlenko, Grupa Firm Symmetron
„Stabilizowane konwertery tranzystorowe” V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.
Najprostszy konwerter 12V – 220V wykonujemy własnymi rękami
Można sobie przypomnieć wiele przypadków, w których przydałby się konwerter z 12 woltów prądu stałego na 220 woltów prądu przemiennego – na przykład po przybyciu do daczy samochodem można wieczorem włączyć światła lub zasilić pompę nawadniającą z akumulatora. Również taki falownik jest integralną częścią generatorów wiatrowych.
Zakup gotowego urządzenia nie będzie problemem – a w salonach samochodowych można znaleźć falowniki samochodowe (przetwornice napięcia impulsowego) o różnych pojemnościach i cenach.
Jednak cena takiego urządzenia średniej mocy (300-500 W) to kilka tysięcy rubli, a niezawodność wielu chińskich falowników jest dość kontrowersyjna. Wykonanie prostego konwertera własnymi rękami to nie tylko sposób na znaczne zaoszczędzenie pieniędzy, ale także okazja do poszerzenia wiedzy z zakresu elektroniki. W przypadku awarii naprawa domowego obwodu będzie znacznie łatwiejsza.
Wspólne schematy
Prosty konwerter impulsów
Obwód tego urządzenia jest bardzo prosty., a większość części można wyjąć z niepotrzebnego zasilacza komputera. Oczywiście ma to również zauważalną wadę – napięcie 220 woltów uzyskiwane na wyjściu transformatora jest dalekie od sinusoidalnego kształtu i ma częstotliwość znacznie wyższą niż przyjęte 50 Hz. Nie podłączaj bezpośrednio do niego silników elektrycznych ani wrażliwej elektroniki.
Aby móc podłączyć do tego falownika urządzenia zawierające zasilacze impulsowe (np. zasilacz do laptopa) zastosowano ciekawe rozwiązanie – na wyjściu transformatora zainstalowany jest prostownik z kondensatorami wygładzającymi;. To prawda, że podłączony adapter może działać tylko w jednym położeniu gniazdka, gdy polaryzacja napięcia wyjściowego jest zgodna z kierunkiem prostownika wbudowanego w adapter. Proste odbiorniki, takie jak żarówki lub lutownica, można podłączyć bezpośrednio do wyjścia transformatora TR1.
Podstawą powyższego obwodu jest kontroler TL494 PWM, najczęściej spotykany w takich urządzeniach. Częstotliwość konwertera jest ustawiana przez rezystor R1 i kondensator C2, ich oceny mogą być nieco inne niż wskazane bez zauważalnej zmiany działania obwodu.
Dla większej wydajności obwód konwertera zawiera dwa ramiona na tranzystorach polowych mocy Q1 i Q2. Tranzystory te muszą być umieszczone na aluminiowych radiatorach, jeśli zamierzasz używać zwykłego radiatora, zainstaluj je przez uszczelki izolacyjne. Zamiast tych wskazanych na schemacie IRFZ44, możesz użyć parametrów zamknięcia IRFZ46 lub IRFZ48.
Cewka wyjściowa jest nawinięta na pierścień ferrytowy z cewki indukcyjnej, również usunięty z zasilacza komputera. Uzwojenie pierwotne jest nawinięte drutem o średnicy 0,6 mm i ma 10 zwojów z odczepem od środka. Na nim nawinięte jest uzwojenie wtórne zawierające 80 zwojów. Możesz także wziąć transformator wyjściowy z uszkodzonego zasilacza awaryjnego.
Zamiast diod wysokiej częstotliwości D1 i D2 można wziąć diody typu FR107, FR207.
Ponieważ układ jest bardzo prosty, po włączeniu, przy prawidłowej instalacji, od razu zacznie działać i nie będzie wymagał żadnej konfiguracji. Będzie w stanie dostarczyć do obciążenia prąd do 2,5 A, ale optymalnym trybem pracy będzie prąd nie większy niż 1,5 A – a to ponad 300 W mocy.
Gotowy falownik o takiej mocy kosztowałby około trzech lub czterech tysięcy rubli.
Obwód konwertera z wyjściem AC
Ten schemat jest wykonany na komponentach domowych i jest dość stary, ale to nie czyni go mniej skutecznym. Jego główną zaletą jest wyprowadzenie pełnowartościowego prądu przemiennego o napięciu 220 woltów i częstotliwości 50 Hz.
Tutaj generator oscylacji jest wykonany na chipie K561TM2, który jest podwójnym D-flip-flopem. Jest to kompletny analog obcego układu CD4013 i można go zastąpić bez zmian w obwodzie.
Konwerter posiada również dwa ramiona zasilające na tranzystorach bipolarnych KT827A. Ich główną wadą w porównaniu do nowoczesnych polowych jest większa rezystancja w stanie otwartym, dlatego mają mocniejsze grzanie przy tej samej przełączanej mocy.
Ponieważ falownik pracuje z niską częstotliwością, transformator musi mieć mocny stalowy rdzeń. Autor schematu sugeruje użycie wspólnego radzieckiego transformatora sieciowego TS-180.
Podobnie jak inne inwertery oparte na prostych układach PWM, ten przetwornik ma przebieg napięcia zupełnie inny niż sinusoidalny, ale jest to nieco wygładzone przez dużą indukcyjność uzwojeń transformatora i kondensatora wyjściowego C7. Z tego powodu transformator może emitować zauważalny szum podczas pracy – nie jest to oznaką awarii obwodu.
Prosty falownik tranzystorowy
Ten konwerter działa na tej samej zasadzie, co obwody wymienione powyżej, ale prostokątny generator impulsów (multiwibrator) w nim zbudowany jest na tranzystorach bipolarnych.
Osobliwością tego obwodu jest to, że działa on nawet przy mocno rozładowanym akumulatorze: zakres napięcia wejściowego wynosi 3,5 . 18 woltów. Ponieważ jednak brakuje stabilizacji napięcia wyjściowego, po rozładowaniu akumulatora napięcie na obciążeniu również proporcjonalnie spadnie.
Ponieważ ten obwód ma również niską częstotliwość, wymagany będzie transformator podobny do zastosowanego w falowniku opartym na K561TM2.
Ulepszenia obwodu falownika
Przedstawione w artykule urządzenia są niezwykle proste i mają szereg funkcji nie można porównać z odpowiednikami fabrycznymi. Aby poprawić ich właściwości, można skorzystać z prostych przeróbek, które ponadto pozwolą lepiej zrozumieć zasady działania przetworników impulsowych.
Zwiększenie mocy wyjściowej
Wszystkie opisane urządzenia działają na tej samej zasadzie: poprzez kluczowy element (tranzystor wyjściowy ramienia) uzwojenie pierwotne transformatora jest podłączone do wejścia zasilania na czas określony przez częstotliwość i współczynnik wypełnienia oscylatora głównego . W tym przypadku generowane są impulsy pola magnetycznego, które wzbudzają impulsy współbieżne w uzwojeniu wtórnym transformatora o napięciu równym napięciu w uzwojeniu pierwotnym pomnożonemu przez stosunek liczby zwojów w uzwojeniach.
Dlatego prąd płynący przez tranzystor wyjściowy jest równy prądowi obciążenia pomnożonemu przez odwrotność stosunku zwojów (stosunek transformacji). To maksymalny prąd, przez który może przejść tranzystor, określa maksymalną moc konwertera.
Istnieją dwa sposoby na zwiększenie mocy falownika: albo użyj mocniejszego tranzystora, albo użyj równoległego połączenia kilku słabszych tranzystorów w jednym ramieniu. W przypadku konwertera domowej roboty preferowana jest druga metoda, ponieważ pozwala nie tylko na użycie tańszych części, ale także utrzymuje konwerter w działaniu, jeśli jeden z tranzystorów ulegnie awarii. W przypadku braku wbudowanej ochrony przeciążeniowej takie rozwiązanie znacznie zwiększy niezawodność domowego urządzenia. Nagrzewanie się tranzystorów również będzie się zmniejszać podczas ich pracy przy tym samym obciążeniu.
Na przykładzie ostatniego schematu będzie to wyglądało tak:
Automatyczne wyłączanie, gdy bateria jest słaba
Brak w obwodzie przekształtnika urządzenia, które samoczynnie go wyłącza w przypadku krytycznego spadku napięcia zasilania, może cię poważnie zawieść, jeśli zostawisz taki falownik podłączony do akumulatora samochodowego. Niezwykle przydatne będzie uzupełnienie domowej roboty falownika o automatyczne sterowanie.
Najprostszy automatyczny przełącznik obciążenia może być wykonany z przekaźnika samochodowego:
Jak wiadomo, każdy przekaźnik ma określone napięcie, przy którym zamykają się jego styki. Wybierając rezystancję rezystora R1 (będzie to około 10% rezystancji uzwojenia przekaźnika) ustawiany jest moment, w którym przekaźnik zerwie styki i przestanie dostarczać prąd do falownika.
PRZYKŁAD: Weź przekaźnik z napięciem roboczym (Uр) 9 V i rezystancja uzwojenia (Rо) 330 omów. Aby działał przy napięciu powyżej 11 woltów (Umin), szeregowo z uzwojeniem należy podłączyć rezystor z rezystancją Rн, obliczony z warunku równości Uр/Rо=(Umin–Uр)/Rн. W naszym przypadku wymagany jest rezystor 73 omów, najbliższa standardowa wartość to 68 omów.
Oczywiście to urządzenie jest niezwykle prymitywne i jest raczej treningiem dla umysłu. Aby uzyskać bardziej stabilną pracę, należy go uzupełnić prostym schematem sterowania, który znacznie dokładniej utrzymuje próg wyłączenia:
Regulacja progu odpowiedzi odbywa się poprzez wybór rezystora R3.
Proponujemy obejrzenie filmu na ten temat
Wykrywanie usterek falownika
Wymienione proste obwody mają dwie najczęstsze usterki – albo nie ma napięcia na wyjściu transformatora, albo jest ono zbyt niskie.
- Pierwszy przypadek to albo jednoczesna awaria obu ramion konwertera, co jest mało prawdopodobne, albo awaria generatora PWM. Aby to sprawdzić, użyj sondy LED, którą można kupić w dowolnym sklepie z częściami radiowymi. Jeśli PWM działa, zauważysz obecność sygnału na bramkach tranzystorów dzięki szybkim pulsacjom świecenia diody (jest to szczególnie widoczne w obwodach niskiej częstotliwości). Jeśli jest sygnał sterujący, sprawdź, czy nie ma przerw w połączeniach transformatora i integralności jego uzwojenia.
- Duży spadek napięcia jest wyraźną oznaką awarii jednego z ramion zasilających falownika. Uszkodzony tranzystor można znaleźć w najprostszy sposób – jego radiator pozostanie zimny. Wymiana klucza przywróci falownik do pracy.
wniosek
Jak można zrozumieć z materiałów artykułu, wykonanie prostego konwertera 12-220 woltów własnymi rękami nie jest takie trudne.
I choć takie urządzenia nie będą w stanie dopasować zestawu dodatkowych funkcji ani atrakcyjnego wyglądu do fabrycznych, będą kosztować właściciela znacznie taniej. Z zastrzeżeniem zasad działania, domowy konwerter będzie działał bardzo długo, ponieważ w tak prostym urządzeniu praktycznie nie ma co zepsuć.
