Як розробити push-конвертер - основна теорія, побудова та демонстрація

Що стосується роботи з силовою електронікою, топологія перетворювача постійного струму стає дуже важливою для практичних конструкцій. В основному є два типи основних топологій перетворення постійного струму та постійного струму, доступні в силовій електроніці, а саме перетворювач перемикання та лінійний перетворювач.

Тепер із закону збереження енергії ми знаємо, що енергію неможливо створити чи знищити, але вона може лише трансформуватися. Те саме стосується перемикання регуляторів, вихідна потужність (потужність) будь-якого перетворювача є добутком напруги та струму, перетворювач постійного струму в ідеальному варіанті перетворює напругу або струм, а потужність є постійною. Прикладом може бути ситуація, коли вихід 5 В може забезпечувати струм 2А. Раніше ми розробили схему SMPS 5В, 2А, ви можете це перевірити, якщо це те, що ви шукаєте.

Тепер розглянемо ситуацію, коли нам потрібно змінити його на вихід 10 В для конкретного застосування. Тепер, якщо в цьому місці використовується перетворювач постійного струму, а напруга 5В 2А, що має вихідну потужність 10 Вт, є постійною, в ідеалі перетворювач постійного струму перетворює напругу в 10В з номінальним струмом 1А. Це можна зробити за допомогою топології імпульсного перемикання, де індуктивність перемикання постійно перемикається.

Іншим дорогим, але корисним методом є використання двотактного перетворювача. Двотактний перетворювач відкриває безліч можливостей перетворення, таких як Buck, Boost, Buck-Boost, ізольовані або навіть неізольовані топології; також це одна з найстаріших топологій комутації, що використовується в силовій електроніці, для виробництва якої потрібні мінімальні компоненти виходи середньої потужності (Зазвичай - від 150 Вт до 500 Вт) з багаторазовою вихідною напругою. Потрібно змінити обмотку трансформатора для зміни вихідної напруги в ізольованій схемі двотактного перетворювача.

Однак усі ці особливості ставлять перед нами багато питань. Мовляв, як працює push-pull конвертер? Які компоненти важливі для побудови схеми двотактного перетворювача? Отже, читайте далі, і ми знайдемо всі необхідні відповіді, і врешті-решт, ми побудуємо практичну схему для демонстрації та тестування, тож давайте прямо в неї входити.

Побудова перетворювача Push-Pull

Відповідь має ім’я. Push та Pull мають два протилежні значення одного і того ж. Що означає Push-Pull у термінах неспеціалістів? Словник говорить, що слово push означає рухатися вперед, використовуючи силу, щоб пропустити людей або предмети, щоб відійти вбік. У двотактному перетворювачі постійного струму постійний струм визначає штовхання струму або подачу струму. Що означає тяга? Знову ж таки, у словнику сказано застосовувати силу до когось чи до чогось, щоб викликати рух до себе. У двотактному перетворювачі знову витягується струм.

Таким чином, двотактний перетворювач - це тип перетворювача перемикання, де струми постійно в щось штовхаються і постійно витягуються з чогось. Це тип трансформатора зворотного зв'язку або індуктивності. Струм постійно штовхається і витягується з трансформатора. За допомогою цього двотактного методу трансформатор передає потік на вторинну котушку і забезпечує якусь ізольовану напругу.

Тепер, оскільки це тип регулятора комутації, також оскільки трансформатор потрібно перемикати таким чином, щоб струм потрібно було синхронно штовхати і тягнути, для цього нам потрібен якийсь регулятор комутації. Тут потрібен асинхронний двотактний драйвер. Зараз очевидно, що перемикачі виконуються з різними типами транзисторів або мосфетів.

На ринку електроніки існує безліч драйверів push-pull, які можна негайно використовувати для роботи, пов’язаної з push-pull розмовою.

Мало таких ІС драйверів можна знайти в наведеному нижче списку -

1. LT3999
2. MAX258
3. MAX13253
4. LT3439
5. TL494

Як працює конвертер push-pull?

Щоб зрозуміти принцип роботи двотактного перетворювача, ми намалювали базову схему, яка є базовим напівмостовим двотактним перетворювачем, і її показано нижче, для простоти ми розглянули топологію напівмоста, але існує ще одна загальноприйнята топологія, яка відома як повномостовий двотактний перетворювач.

Два транзистори NPN забезпечать функцію push-pull. Два транзистори Q1 і Q2 не можуть вмикатись одночасно. Коли Q1 увімкнено, Q2 залишиться вимкненим, коли Q1 вимкнеться, Q2 увімкнеться. Це відбуватиметься послідовно і триватиме як цикл.

Як ми бачимо, у вищевказаній схемі використовується трансформатор, це ізольований двотактний перетворювач.

На наведеному вище зображенні показано стан, коли Q1 увімкнено, а Q2 вимкнено. Таким чином, струм буде протікати через центральний кран трансформатора і надходитиме на землю через транзистор Q1, тоді як Q2 буде блокувати струм потоку на іншому крані трансформатора. Якраз навпаки трапляється, коли Q2 вмикається, а Q1 залишається вимкненим. Всякий раз, коли відбуваються зміни поточного потоку, трансформатор передає енергію від первинної сторони до вторинної.

Наведений графік дуже корисний для перевірки того, як це відбувається, спочатку в ланцюзі раніше не було напруг або струму. Q1 увімкнено, спочатку постійна напруга потрапляє на кран, оскільки зараз ланцюг замикається. Струм починає збільшуватися, а потім напруга подається на вторинну сторону.

У наступній фазі, через затримку часу, транзистор Q1 вимикається, а Q2 вмикається. Ось кілька важливих речей на роботі - паразитна ємність трансформатора і індуктивність утворюють LC-ланцюг, який починає перемикатися в протилежній полярності. Заряд починає текти назад у зворотному напрямку через іншу обмотку крана трансформатора. Таким чином, струм постійно підштовхується в альтернативних режимах цими двома транзисторами. Однак, оскільки витягування здійснюється ланцюгом LC і центральним краном трансформатора, це називається топологією push-pull. Часто це описується таким чином, що два транзистори штовхають струм поперемінно, називаючи традиційним push-pull, де транзистори не тягнуть струм. Форма сигналу навантаження виглядає як пилкоподібний, проте, це не так, як показано на наведеному вище сигналі.

Оскільки ми дізналися, як працює конструкція двотактного перетворювача, давайте перейдемо до побудови фактичної схеми для нього, а потім ми зможемо проаналізувати це на стенді. Але перед цим давайте поглянемо на схему.

Компоненти, необхідні для побудови практичного перетворювача Push Pull

Ну, нижченаведена схема побудована на макетній дошці. Компоненти, що використовуються для випробування схем, є такими:

1. 2 шт індуктори з однаковим рейтингом - тороїдальний індуктор 220 мкГн 5А.
2. Конденсатор з поліефірної плівки 0,1 мкФ - 2 шт
3. 1k резистор 1% - 2 шт
4. ULN2003 парний транзистор Дарлінгтона
5. Конденсатор 100 мкФ 50 В

Практична схема електричного струму перетворювача

Схема досить пряма. Давайте проаналізуємо зв’язок, ULN2003 - це парна транзисторна матриця Дарлінгтона. Цей масив транзисторів корисний, оскільки діоди вільного ходу є всередині мікросхеми, і для нього не потрібні додаткові компоненти, що дозволяє уникнути будь-яких додаткових складних маршрутів на макетній панелі. Для синхронного драйвера ми використовуємо простий RC-таймер, який синхронно вмикає і вимикає транзистори, щоб створити ефект push-pull на індукторах.

Практичний перетворювач push-pull - працює

Робота схеми проста. Давайте видалимо пару Дарлінгтона і спростимо схему за допомогою двох транзисторів Q1 і Q2.

Мережі RC з'єднані в поперечному положенні з базою Q1 і Q2, які включають альтернативні транзистори, використовуючи техніку зворотного зв'язку, звану регенеративною зворотним зв'язком.

Він починає працювати таким чином - коли ми подаємо напругу на центральний кран трансформатора (де загальне з'єднання двох дроселів), струм буде протікати через трансформатор. Залежно від щільності потоку та насиченості полярності, негативної чи позитивної, струм спочатку заряджає C1 і R1 або C2 і R2, а не обидва. Уявімо, що C1 і R1 отримують струм першим. С1 і R1 забезпечують таймер, який включає транзистор Q2. Ділянка L2 трансформатора буде індукувати напругу за допомогою магнітного потоку. У цій ситуації C2 і R2 починають заряджатися і включають Q1. Потім секція L1 трансформатора індукує напругу. Час або частота повністю залежать від вхідної напруги, насиченого потоку трансформатора або індуктивності, первинних витків, площі квадратного сантиметра серцевини сердечника.Формула частоти -

f = (V _в * 10 ⁸) / (4 * β _s * A * N)

Де Vin - вхідна напруга, 10 ⁸ - постійна величина, β _s - щільність насиченого потоку сердечника, яка буде відображатися на трансформаторі, A - площа поперечного перерізу, а N - кількість витків.

Тестування схеми перетворювача push-pull

Для тестування схеми необхідні наступні інструменти -

1. Два міліметри - один для перевірки вхідної напруги та інший для вихідної напруги
2. Осцилограф
3. Блок живлення.

Схема побудована в макетній платі, і потужність повільно збільшується. Вхідна напруга становить 2,16 В, тоді як вихідна напруга становить 8,12 В, що майже в чотири рази перевищує вхідну напругу.

Однак ця схема не використовує топології зворотного зв'язку, тому вихідна напруга не є постійною і не ізольованою.

Частота та перемикання push-pull спостерігається в осцилографі-

Таким чином, схема в даний час діє як двотактний підсилювальний перетворювач, де вихідна напруга не є постійною. Очікується, що цей двотактний перетворювач може забезпечити потужність до 2 Вт, але ми не тестували його через відсутність генерації зворотного зв'язку.

Висновки

Ця схема є простою формою двотактного перетворювача. Тим НЕ менше, завжди рекомендується використовувати правильний драйвер двотактний IC для необхідного виходу. Схема може бути побудована таким чином, щоб бути ізольованою або неізольованою, можна побудувати будь-яку топологію при двотактному перетворенні.

Наведена нижче схема - це правильна схема керованого двотактного перетворювача постійного струму в постійний. Це двотактний перетворювач 1: 1 із використанням LT3999 для аналогових пристроїв (лінійні технології).

Сподіваюся, вам сподобалась стаття і ви дізналися щось нове, якщо у вас виникли запитання щодо цієї теми, залиште коментар нижче або ви можете опублікувати своє запитання безпосередньо на нашому форумі.