Как спроектировать двухтактный преобразователь - основы теории, конструкции и демонстрации

Когда дело доходит до работы с силовой электроникой, топология преобразователя постоянного тока становится очень важной для практического проектирования. В силовой электронике существуют в основном два типа основных топологий преобразования постоянного тока в постоянный, а именно: импульсный преобразователь и линейный преобразователь.

Теперь из закона сохранения энергии мы знаем, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только может быть преобразована. То же самое и с импульсными регуляторами: выходная мощность (мощность) любого преобразователя - это произведение напряжения и тока, преобразователь постоянного тока в постоянный идеально преобразует напряжение или ток при постоянной мощности. Примером может служить ситуация, когда выход 5 В может обеспечивать ток 2 А. Ранее мы разработали схему SMPS 5V, 2A, вы можете проверить это, если это то, что вы ищете.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда нам нужно изменить его на выход 10 В для конкретного приложения. Теперь, если в этом месте используется преобразователь постоянного тока в постоянный, а выходная мощность 5 В 2 А, которая составляет 10 Вт, является постоянной, в идеале преобразователь постоянного тока в постоянный преобразует напряжение в 10 В с номинальным током 1 А. Это можно сделать, используя топологию переключения с повышением частоты, при которой переключающая катушка индуктивности постоянно переключается.

Другой дорогостоящий, но полезный метод - использование двухтактного преобразователя. Двухтактный преобразователь открывает множество возможностей преобразования, таких как Buck, Boost, Buck-Boost, изолированные или даже неизолированные топологии, а также это одна из старейших коммутационных топологий, используемых в силовой электронике, которая требует минимального количества компонентов для производства. выходы средней мощности (обычно от 150 Вт до 500 Вт) с несколькими выходными напряжениями. Для изменения выходного напряжения в изолированной двухтактной схеме преобразователя необходимо заменить обмотку трансформатора.

Однако все эти особенности вызывают у нас множество вопросов. Мол, как работает двухтактный преобразователь? Какие компоненты важны для построения схемы двухтактного преобразователя? Итак, читайте дальше, и мы найдем все необходимые ответы, и, в конце концов, мы создадим практическую схему для демонстрации и тестирования, так что давайте перейдем к ней.

Конструкция двухтактного преобразователя

В имени есть ответ. Толкать и Тянуть имеют два противоположных значения одного и того же. Что означает "толкать-тянуть" с точки зрения непрофессионала? В словаре говорится, что слово «толкать» означает двигаться вперед, используя силу, чтобы отодвинуть людей или предметы. В двухтактном преобразователе постоянного тока в постоянный толчок определяет проталкивание или подачу тока. Итак, что означает тяга? Опять же, словарь говорит, что нужно оказывать силу на кого-то или что-то, чтобы вызвать движение к себе. В двухтактном преобразователе снова протекает ток.

Таким образом, двухтактный преобразователь - это тип переключающего преобразователя, в котором токи постоянно проталкиваются во что-то и постоянно от чего-то отводятся. Это разновидность трансформатора обратного хода или индуктора. Ток постоянно проталкивается и снимается с трансформатора. Используя этот двухтактный метод, трансформатор передает магнитный поток на вторичную обмотку и обеспечивает какое-то изолированное напряжение.

Теперь, поскольку это тип импульсного регулятора, а также трансформатор необходимо переключать таким образом, чтобы ток приходился и тянул синхронно, для этого нам нужен какой-то импульсный регулятор. Здесь требуется асинхронный двухтактный драйвер. Теперь очевидно, что переключатели сделаны с разными типами транзисторов или МОП-транзисторов.

На рынке электроники доступно множество двухтактных драйверов, которые можно сразу использовать для работы, связанной с двухтактным разговором.

Некоторые из таких микросхем драйверов можно найти в списке ниже:

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

Как работает двухтактный преобразователь?

Чтобы понять принцип работы двухтактного преобразователя, мы нарисовали базовую схему, которая представляет собой базовый двухтактный полумостовой преобразователь, и, как показано ниже, для простоты мы рассмотрели топологию полумоста, но существует другая распространенная топология, известная как двухтактный преобразователь с полным мостом.

Два NPN-транзистора обеспечат двухтактную функциональность. Два транзистора Q1 и Q2 не могут быть включены одновременно. Когда Q1 включен, Q2 останется выключенным, когда Q1 выключен, Q2 включится. Это будет происходить последовательно и продолжаться в виде цикла.

Как видим, в приведенной выше схеме используется трансформатор, это изолированный двухтактный преобразователь.

На изображении выше показано состояние, в котором Q1 включен, а Q2 выключен. Таким образом, ток будет течь через центральный отвод трансформатора и уйдет на землю через транзистор Q1, в то время как Q2 будет блокировать ток, протекающий по другому отводу трансформатора. Совершенно противоположное происходит, когда Q2 включается, а Q1 остается выключенным. Когда бы ни происходили изменения тока, трансформатор передает энергию с первичной стороны на вторичную.

Приведенный выше график очень полезен, чтобы проверить, как это происходит. Сначала в цепи не было напряжения или тока. Q1 включился, постоянное напряжение сначала коснулось крана, так как теперь цепь замкнута. Ток начинает расти, а затем на вторичной стороне индуцируется напряжение.

На следующем этапе, после временной задержки, транзистор Q1 выключается, а Q2 включается. Здесь действуют несколько важных вещей - паразитная емкость трансформатора и индуктивность образуют LC-цепь, которая начинает переключаться с противоположной полярностью. Заряд начинает течь обратно в обратном направлении через другую обмотку трансформатора. Таким образом, эти два транзистора постоянно проталкивают ток в чередующихся режимах. Однако, поскольку тяга выполняется LC-цепью и центральным ответвлением трансформатора, это называется двухтактной топологией. Часто это описывается таким образом, что два транзистора проталкивают ток поочередно, называя условно двухтактным, когда транзисторы не протягивают ток. Форма волны нагрузки выглядит как пилообразная, однако это не то, что показано на диаграмме выше.

Когда мы узнали, как работает конструкция двухтактного преобразователя, давайте перейдем к созданию реальной схемы для него, а затем мы сможем проанализировать ее на стенде. Но перед этим давайте взглянем на схему.

Компоненты, необходимые для создания практичного двухтактного преобразователя

Итак, приведенная ниже схема построена на макете. Компоненты, используемые для тестирования схем, следующие:

1. 2 шт. Индукторов одинакового номинала - индуктор тороидальный 220uH 5A.
2. Конденсатор полиэфирной пленки 0,1 мкФ - 2 шт.
3. Резистор 1к 1% - 2 шт.
4. ULN2003 транзистор пара Дарлингтона
5. Конденсатор 100 мкФ 50 В

Практическая принципиальная схема двухтактного преобразователя

Схема довольно проста. Давайте проанализируем соединение, ULN2003 - это матрица транзисторов с парой Дарлингтона. Эта матрица транзисторов полезна, так как свободно вращающиеся диоды доступны внутри набора микросхем и не требует дополнительных компонентов, что позволяет избежать дополнительной сложной маршрутизации на макетной плате. Для синхронного драйвера мы используем простой RC-таймер, который будет синхронно включать и выключать транзисторы, чтобы создать двухтактный эффект на индукторах.

Практичный двухтактный преобразователь - рабочий

Схема работы проста. Давайте удалим пару Дарлингтона и упростим схему, используя два транзистора Q1 и Q2.

RC-цепи перекрестно соединены с базой Q1 и Q2, которые включают альтернативные транзисторы с использованием метода обратной связи, называемого регенеративной обратной связью.

Он начинает работать следующим образом: когда мы подаем напряжение на центральный отвод трансформатора (где общее соединение между двумя индукторами), ток будет течь через трансформатор. В зависимости от плотности потока и насыщения полярности, отрицательной или положительной, ток сначала заряжает C1 и R1 или C2 и R2, но не оба. Представим, что C1 и R1 сначала получают ток. C1 и R1 обеспечивают таймер, который включает транзистор Q2. Секция L2 трансформатора будет индуцировать напряжение с помощью магнитного потока. В этой ситуации C2 и R2 начинают заряжаться и включают Q1. Затем секция L1 трансформатора индуцирует напряжение. Синхронизация или частота полностью зависят от входного напряжения, насыщенного потока трансформатора или индуктора, витков первичной обмотки, площади поперечного сечения сердечника в квадратном сантиметре.Формула частоты -

F = (V _в * 10 ⁸) / (4 * β _ев * A * N)

Где Vin - входное напряжение, 10 ⁸ - постоянное значение, β _s - насыщенная магнитная индукция сердечника, которая будет отражаться на трансформаторе, A - площадь поперечного сечения, а N - количество витков.

Тестирование цепи двухтактного преобразователя

Для тестирования схемы требуются следующие инструменты:

1. Два миллиметра - один для проверки входного напряжения, другой для выходного напряжения
2. Осциллограф
3. Настольный блок питания.

Схема построена на макетной плате, и мощность постепенно увеличивается. Входное напряжение составляет 2,16 В, а выходное напряжение - 8,12 В, что почти в четыре раза превышает входное напряжение.

Однако в этой схеме не используется топология обратной связи, поэтому выходное напряжение не является постоянным и не изолированным.

Частота и переключение двухтактных наблюдаются в осциллографе.

Таким образом, схема теперь действует как двухтактный повышающий преобразователь, где выходное напряжение не является постоянным. Ожидается, что этот двухтактный преобразователь может обеспечить мощность до 2 Вт, но мы не тестировали его из-за отсутствия генерации обратной связи.

Выводы

Эта схема представляет собой простую форму двухтактного преобразователя. Однако всегда рекомендуется использовать подходящую ИС двухтактного драйвера для желаемого выхода. Схема может быть построена таким образом, чтобы быть изолированной или неизолированной, можно было построить любую топологию двухтактного преобразования.

Схема ниже представляет собой схему управляемого двухтактного преобразователя постоянного тока в постоянный. Это двухтактный преобразователь 1: 1, использующий LT3999 для Analog Devices (Linear Technologies).

Надеюсь, вам понравилась статья и вы узнали что-то новое, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, оставьте комментарий ниже или вы можете задать свой вопрос прямо на нашем форуме.