Bộ chuyển đổi DC-DC

Để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử khác nhau, bộ chuyển đổi DC / DC được sử dụng rất rộng rãi. Chúng được sử dụng trong các thiết bị máy tính, thiết bị truyền thông, các mạch điều khiển và tự động hóa khác nhau, v.v.

Cung cấp năng lượng máy biến áp

Trong các nguồn cung cấp điện máy biến áp truyền thống, điện áp của nguồn điện được chuyển đổi bằng máy biến áp, thường được hạ xuống, đến giá trị mong muốn. Thiếu điện áp chỉnh lưu bằng cầu diode và được làm mịn bằng bộ lọc tụ điện. Nếu cần thiết, một chất ổn định bán dẫn được đặt sau bộ chỉnh lưu.

Bộ nguồn máy biến áp thường được trang bị bộ ổn định tuyến tính. Có ít nhất hai lợi thế của các chất ổn định như vậy: đó là một chi phí nhỏ và một số lượng nhỏ các bộ phận trong khai thác. Nhưng những lợi thế này được tiêu thụ bởi hiệu quả thấp, vì một phần đáng kể của điện áp đầu vào được sử dụng để làm nóng bóng bán dẫn điều khiển, điều này hoàn toàn không thể chấp nhận được để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử cầm tay.

Bộ chuyển đổi DC / DC

Nếu thiết bị được cung cấp năng lượng bởi các tế bào điện hoặc pin, thì việc chuyển đổi điện áp đến mức mong muốn chỉ có thể được thực hiện với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi DC / DC.

Ý tưởng khá đơn giản: một điện áp không đổi được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều, theo quy luật, với tần số vài chục hoặc thậm chí hàng trăm kilohertz, nó tăng (giảm), sau đó nó được chỉnh lưu và đưa vào tải. Bộ chuyển đổi như vậy thường được gọi là xung.

Một ví dụ là bộ chuyển đổi tăng từ 1,5V sang 5V, chỉ là điện áp đầu ra của USB máy tính. Một bộ chuyển đổi năng lượng tương tự được bán trên Aliexpress.

Hình. 1. Bộ chuyển đổi 1.5V / 5V

Bộ chuyển đổi xung tốt ở chỗ chúng có hiệu suất cao, trong vòng 60,90%. Một ưu điểm khác của bộ biến đổi xung là một loạt các điện áp đầu vào: điện áp đầu vào có thể thấp hơn điện áp đầu ra hoặc cao hơn nhiều. Nói chung, bộ chuyển đổi DC / DC có thể được chia thành nhiều nhóm.

Phân loại bộ chuyển đổi

Bước xuống hoặc xô

Theo quy luật, điện áp đầu ra của các bộ biến đổi này thấp hơn đầu vào: không có tổn thất đặc biệt khi làm nóng bóng bán dẫn điều khiển, bạn có thể nhận được điện áp chỉ vài volt ở điện áp đầu vào 12 ... 50V. Dòng điện đầu ra của các bộ chuyển đổi như vậy phụ thuộc vào nhu cầu của tải, từ đó xác định mạch điện của bộ chuyển đổi.

Một tên tiếng Anh khác cho bộ chuyển đổi buck chopper. Một trong những lựa chọn để dịch từ này là một bộ ngắt. Trong các tài liệu kỹ thuật, bộ chuyển đổi buck đôi khi được gọi là bộ cắt cho ra. Để bây giờ, chỉ cần nhớ thuật ngữ này.

Tăng cường hoặc tăng cường thuật ngữ tiếng Anh

Điện áp đầu ra của các bộ chuyển đổi này cao hơn đầu vào. Ví dụ, với điện áp đầu vào 5V, có thể thu được đầu ra lên đến 30V, hơn nữa, nó có thể được điều chỉnh và ổn định liên tục. Bộ chuyển đổi Boost thường được gọi là tên lửa đẩy.

Bộ chuyển đổi toàn cầu - SEPIC

Điện áp đầu ra của các bộ chuyển đổi này được giữ ở mức định trước với điện áp đầu vào cao hơn cả đầu vào và thấp hơn. Đó là khuyến cáo trong trường hợp điện áp đầu vào có thể thay đổi đáng kể. Ví dụ, trong xe hơi, điện áp ắc quy có thể thay đổi trong khoảng 9 ... 14V và bạn cần có điện áp ổn định là 12 V.

Bộ chuyển đổi đảo ngược - bộ chuyển đổi đảo ngược

Chức năng chính của các bộ biến đổi này là thu được điện áp đầu ra có cực ngược so với nguồn điện. Rất thuận tiện trong trường hợp cần dinh dưỡng lưỡng cực, ví dụ để cấp nguồn cho op-amp.

Tất cả các bộ chuyển đổi này có thể được ổn định hoặc không ổn định, điện áp đầu ra có thể được kết nối điện với đầu vào hoặc có điện áp cách ly điện áp. Tất cả phụ thuộc vào thiết bị cụ thể mà bộ chuyển đổi sẽ được sử dụng.

Để tiến hành thảo luận thêm về bộ chuyển đổi DC / DC, ít nhất người ta nên giải quyết theo lý thuyết.

Bộ chuyển đổi Chopper xuống - Bộ chuyển đổi loại buck

Sơ đồ chức năng của nó được hiển thị trong hình dưới đây. Các mũi tên trên dây cho biết hướng của dòng điện.

Hình 2. Sơ đồ chức năng của chất ổn định chopper

Điện áp đầu vào Uin được áp dụng cho bộ lọc đầu vào - tụ Cin. Transitor VT được sử dụng như một yếu tố chính, nó thực hiện chuyển đổi dòng điện tần số cao. Nó có thể là Transitor cấu trúc MOSFET, IGBT một trong hai bóng bán dẫn lưỡng cực thông thường. Ngoài các chi tiết này, mạch còn chứa một diode phóng VD và bộ lọc đầu ra - LCout, từ đó điện áp đi vào tải Rн.

Dễ dàng thấy rằng tải được kết nối nối tiếp với các phần tử VT và L. Do đó, mạch là phù hợp. Làm thế nào để giảm điện áp xảy ra?

Điều chế độ rộng xung - PWM

Mạch điều khiển tạo ra các xung hình chữ nhật với tần số không đổi hoặc chu kỳ không đổi, về cơ bản là giống nhau. Các xung này được hiển thị trong Hình 3.

Hình 3. Kiểm soát xung

Ở đây t là thời gian xung, bóng bán dẫn mở, tp là thời gian tạm dừng và bóng bán dẫn được đóng lại. Tỷ lệ ti / T được gọi là chu kỳ nhiệm vụ chu kỳ nhiệm vụ, được ký hiệu bằng chữ D và được biểu thị bằng %% hoặc đơn giản là bằng số. Ví dụ, với D bằng 50%, hóa ra D = 0,5.

Do đó, D có thể thay đổi từ 0 đến 1. Với giá trị D = 1, bóng bán dẫn chính ở trạng thái dẫn điện hoàn toàn và tại D = 0 ở trạng thái giới hạn, nói một cách đơn giản, nó bị đóng. Thật dễ dàng để đoán rằng tại D = 50% điện áp đầu ra sẽ bằng một nửa đầu vào.

Một điều khá rõ ràng là sự điều chỉnh điện áp đầu ra xảy ra do sự thay đổi độ rộng của xung điều khiển t và trên thực tế, sự thay đổi trong hệ số D. Nguyên tắc điều chỉnh này được gọi là xung điều chế độ rộng xung (PWM). Trong hầu hết tất cả các nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi, chính xác là với sự trợ giúp của PWM mà điện áp đầu ra được ổn định.

Trong các sơ đồ được hiển thị trong Hình 2 và 6, PWM được ẩn ẩn trong các hình chữ nhật với mạch điều khiển dòng chữ khắc dòng, có chức năng thực hiện một số chức năng bổ sung. Ví dụ, nó có thể là một khởi đầu trơn tru của điện áp đầu ra, bật từ xa hoặc bảo vệ bộ chuyển đổi chống ngắn mạch.

Nhìn chung, các bộ chuyển đổi được sử dụng rộng rãi đến mức các công ty sản xuất linh kiện điện tử được bố trí cho bộ điều khiển PWM cho tất cả các dịp. Phạm vi quá lớn đến nỗi chỉ cần liệt kê chúng, bạn sẽ cần cả một cuốn sách. Do đó, không ai có thể lắp ráp bộ chuyển đổi trên các phần tử rời rạc, hoặc như họ thường nói về "bột lỏng".

Hơn nữa, các bộ chuyển đổi làm sẵn có công suất nhỏ có thể được mua tại Aliexpress hoặc Ebay với giá nhỏ. Đồng thời, để cài đặt trong một thiết kế nghiệp dư, nó đủ để hàn các dây đầu vào và đầu ra vào bảng, và đặt điện áp đầu ra cần thiết.

Nhưng quay lại hình 3. Trong trường hợp này, hệ số D xác định thời gian sẽ mở (giai đoạn 1) hoặc đóng (giai đoạn 2) bóng bán dẫn quan trọng. Đối với hai giai đoạn này, bạn có thể tưởng tượng sơ đồ trong hai hình. Các số liệu KHÔNG HIỂN THỊ những yếu tố không được sử dụng trong giai đoạn này.

Hình 4. Giai đoạn 1

Khi bóng bán dẫn mở, dòng điện từ nguồn điện (pin điện, pin, bộ chỉnh lưu) đi qua một cuộn cảm cảm L, một Rн tải và một tụ điện Cout sạc. Đồng thời, một dòng điện chạy qua tải, tụ Cout và cuộn cảm L tích lũy năng lượng. Các iL hiện tại tăng dần, ảnh hưởng của độ tự cảm của cuộn cảm ảnh hưởng. Giai đoạn này được gọi là bơm.

Sau khi điện áp tại tải đạt đến giá trị cài đặt (được xác định bởi cài đặt thiết bị điều khiển), bóng bán dẫn VT đóng lại và thiết bị chuyển sang pha thứ hai - pha phóng điện. Các bóng bán dẫn kín trong hình không được hiển thị ở tất cả, như thể nó không tồn tại. Nhưng điều này chỉ có nghĩa là các bóng bán dẫn được đóng lại.

Hình 5. Giai đoạn 2

Khi bóng bán dẫn VT được đóng lại, không có sự bổ sung năng lượng trong cuộn cảm, vì nguồn điện bị ngắt. Độ tự cảm L có xu hướng ngăn chặn sự thay đổi cường độ và hướng của dòng điện (tự cảm) chảy qua cuộn dây của cuộn cảm.

Do đó, dòng điện không thể dừng ngay lập tức và đóng lại thông qua mạch tải diode. Bởi vì điều này, diode VD được gọi là bit. Đây thường là một diode Schottky tốc độ cao. Sau giai đoạn điều khiển của giai đoạn 2, mạch chuyển sang giai đoạn 1, quá trình được lặp lại một lần nữa. Điện áp tối đa ở đầu ra của mạch được xem xét có thể bằng với đầu vào, và không hơn. Để có được điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, bộ chuyển đổi tăng được sử dụng.

Cần lưu ý rằng trên thực tế, không phải mọi thứ đều đơn giản như được viết ở trên: người ta cho rằng tất cả các thành phần đều hoàn hảo, tức là bật và tắt xảy ra không chậm trễ, và điện trở hoạt động bằng không. Trong sản xuất thực tế của các sơ đồ như vậy, nhiều sắc thái phải được tính đến, vì rất nhiều phụ thuộc vào chất lượng của các thành phần được sử dụng và điện dung ký sinh của cài đặt. Chỉ về một chi tiết đơn giản như một van tiết lưu (tốt, chỉ là một cuộn dây!), Bạn có thể viết nhiều hơn một bài viết.

Hiện tại, chỉ cần nhớ lại giá trị của cuộn cảm, xác định hai chế độ hoạt động của chopper. Với độ tự cảm không đủ, bộ chuyển đổi sẽ hoạt động ở chế độ dòng điện không liên tục, điều này hoàn toàn không thể chấp nhận được đối với các nguồn điện.

Nếu độ tự cảm đủ lớn, thì công việc diễn ra ở chế độ dòng điện liên tục, cho phép sử dụng các bộ lọc đầu ra để có được điện áp không đổi với mức gợn chấp nhận được. Trong chế độ hiện tại liên tục, bộ chuyển đổi tăng cường cũng hoạt động, sẽ được mô tả dưới đây.

Để tăng hiệu quả, điốt phóng VD được thay thế bằng bóng bán dẫn MOSFET, được mở vào đúng thời điểm bởi mạch điều khiển. Bộ chuyển đổi như vậy được gọi là đồng bộ. Việc sử dụng chúng là hợp lý nếu công suất của bộ chuyển đổi đủ lớn.

Step-up hoặc boost boost boost

Bộ chuyển đổi Boost chủ yếu được sử dụng để cung cấp điện áp thấp, ví dụ, từ hai đến ba pin, và một số thành phần cần 12 ... 15 V với mức tiêu thụ dòng điện thấp. Rất thường xuyên, trình chuyển đổi boost được gọi ngắn gọn và rõ ràng là từ "booster booster".

Hình 6. Sơ đồ chức năng của bộ chuyển đổi tăng

Điện áp đầu vào Uin được áp dụng cho bộ lọc đầu vào Cin và được áp dụng cho kết nối nối tiếp cuộn cảm L và bóng bán dẫn chuyển đổi VT. Một diode VD được kết nối với điểm kết nối của cuộn dây và cống của bóng bán dẫn. Một Rн tải và một Cout tụ shunt được kết nối với đầu cuối khác của diode.

Transitor VT được điều khiển bởi một mạch điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển tần số ổn định với chu kỳ nhiệm vụ D có thể điều chỉnh, giống như mô tả ở trên trong mô tả về mạch chopper (Hình 3). Các diode VD vào đúng thời điểm sẽ chặn tải từ bóng bán dẫn quan trọng.

Khi bóng bán dẫn khóa được mở, đầu ra phía bên phải của cuộn L được kết nối với cực âm của nguồn cung cấp Uin. Dòng điện tăng (ảnh hưởng của điện cảm ảnh hưởng) từ nguồn điện chạy qua cuộn dây và một bóng bán dẫn mở, năng lượng được tích lũy trong cuộn dây.

Tại thời điểm này, diode VD chặn tải và tụ điện đầu ra từ mạch chính, do đó ngăn chặn sự phóng điện của tụ điện đầu ra thông qua một bóng bán dẫn mở. Tải tại thời điểm này được cung cấp bởi năng lượng được lưu trữ trong Cout tụ điện. Đương nhiên, điện áp trên các tụ điện đầu ra giảm.

Ngay khi điện áp đầu ra trở nên thấp hơn một chút so với chỉ định (được xác định bởi cài đặt mạch điều khiển), bóng bán dẫn khóa VT sẽ đóng lại và năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm nạp lại Cout tụ điện thông qua diode VD, cung cấp cho tải. Trong trường hợp này, EMF tự cảm ứng của cuộn L được thêm vào điện áp đầu vào và được truyền vào tải, do đó, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào.

Khi điện áp đầu ra đạt đến mức ổn định đã đặt, mạch điều khiển sẽ mở bóng bán dẫn VT và quá trình được lặp lại từ giai đoạn lưu trữ năng lượng.

Bộ chuyển đổi phổ quát - SEPIC (bộ chuyển đổi hoặc bộ chuyển đổi cuộn cảm sơ cấp một đầu có độ tự cảm tải không đối xứng).

Bộ chuyển đổi như vậy được sử dụng chủ yếu khi tải có công suất thấp và điện áp đầu vào thay đổi so với đầu ra ở mức độ lớn hơn hoặc thấp hơn.

Hình 7. Sơ đồ chức năng của bộ chuyển đổi SEPIC

Nó rất giống với mạch chuyển đổi tăng được hiển thị trong Hình 6, nhưng có các phần tử bổ sung: tụ C1 và cuộn L2. Chính những yếu tố này đảm bảo cho hoạt động của bộ chuyển đổi ở chế độ điện áp thấp.

Bộ chuyển đổi SEPIC được sử dụng trong trường hợp điện áp đầu vào thay đổi lớn. Một ví dụ là Bộ điều chỉnh chuyển đổi tăng / giảm điện áp tăng áp 4V-35V đến 1.23V-32V. Theo tên này, một bộ chuyển đổi được bán trong các cửa hàng Trung Quốc, mạch được hiển thị trong Hình 8 (bấm vào hình để phóng to).

Hình 8. Sơ đồ của bộ chuyển đổi SEPIC

Hình 9 cho thấy sự xuất hiện của bảng với sự chỉ định của các yếu tố chính.

Hình 9. Sự xuất hiện của SEPIC Converter

Hình hiển thị các phần chính theo Hình 7. Bạn nên chú ý đến sự hiện diện của hai cuộn dây L1 L2. Dựa trên tính năng này, có thể xác định rằng đây chính xác là trình chuyển đổi SEPIC.

Điện áp đầu vào của bo mạch có thể nằm trong phạm vi 4 ... 35V. Trong trường hợp này, điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh trong phạm vi 1,23 ... 32V. Tần số hoạt động của bộ chuyển đổi là 500KHz. Với kích thước nhỏ 50 x 25 x 12 mm, bo mạch cung cấp năng lượng lên tới 25 watt. Dòng điện đầu ra tối đa lên tới 3A.

Nhưng ở đây một nhận xét nên được thực hiện. Nếu điện áp đầu ra được đặt thành 10V, thì dòng điện đầu ra không thể cao hơn 2,5A (25W). Với điện áp đầu ra là 5V và dòng điện tối đa là 3, công suất sẽ chỉ là 15W. Điều chính ở đây là không lạm dụng nó: hoặc không vượt quá công suất tối đa cho phép, hoặc không vượt quá dòng điện cho phép.

Xem thêm: Chuyển đổi nguồn cung cấp - nguyên tắc hoạt động

Boris Aladyshkin