ממירי DC-DC

להפעלת ציוד אלקטרוני אחר, ממירי DC / DC נמצאים בשימוש נרחב מאוד. הם משמשים במכשירי מחשוב, התקני תקשורת, מעגלי בקרה ואוטומציה שונים וכו '.

ספקי כוח שנאי

בספקי כוח שנאים מסורתיים, המתח של החשמל מומר באמצעות שנאי, לרוב מוריד, לערך הרצוי. תת-מתח מתוקן על ידי גשר דיודה ומוחלק על ידי פילטר קבלים. במידת הצורך, מייצב מייצב מוליכים למחצה לאחר המיישר.

ספקי כוח שנאי מצוידים בדרך כלל במייצבים ליניאריים. ישנם לפחות שני יתרונות של מייצבים כאלה: מדובר בעלות קטנה ומספר קטן של חלקים ברתמה. אך יתרונות אלה נצרכים ביעילות נמוכה, מכיוון שחלק משמעותי ממתח הכניסה משמש לחימום טרנזיסטור השליטה, דבר שאינו מקובל לחלוטין להפעלת מכשירים אלקטרוניים ניידים.

ממירי DC / DC

אם הציוד מופעל על ידי תאים או סוללות גלווניות, המרת מתח לרמה הרצויה אפשרית רק בעזרת ממירי DC / DC.

הרעיון הוא די פשוט: מתח קבוע מומר למתח מתחלף, ככלל, עם תדר של כמה עשרות ואפילו מאות קילוהרץ, הוא עולה (יורד), ואז הוא מתקשר ומסופק לעומס. ממירים כאלה נקראים לרוב דופק.

דוגמה לכך היא ממיר הגברה מ- 1.5V ל- 5V, רק מתח היציאה של USB למחשב. ממיר כוח דומה נמכר ב- Aliexpress.

איור. 1. ממיר 1.5 וולט / 5 וולט

ממירי דופק טובים בכך שהם בעלי יעילות גבוהה, תוך 60..90%. יתרון נוסף של ממירי הדופק הוא מגוון רחב של מתחי כניסה: מתח הכניסה יכול להיות נמוך ממתח היציאה או גבוה בהרבה. באופן כללי ניתן לחלק ממירי DC / DC למספר קבוצות.

סיווג ממירים

יורד או באק

מתח היציאה של הממירים הללו, ככלל, נמוך מהכניסה: ללא הפסדים מיוחדים לחימום טרנזיסטור השליטה, אתה יכול לקבל מתח של מספר וולט בלבד במתח כניסה של 12 ... 50V. זרם הפלט של ממירים כאלה תלוי בביקוש העומס, אשר בתורו קובע את מעגלי הממיר.

שם אנגלי נוסף לממיר המסוק. אחת האפשרויות לתרגום מילה זו היא מפסק. בספרות הטכנית, ממיר הכסף נקרא לפעמים "מסוק". לעת עתה, רק זכור את המונח הזה.

שלב או הגברת המינוחים באנגלית

מתח היציאה של הממירים הללו גבוה מהכניסה. לדוגמא, עם מתח כניסה של 5 וולט, ניתן לקבל פלט של עד 30 וולט, וויסתו החלק והייצוב שלו מתאפשרים. ממירי Boost נקראים לעתים קרובות boosters.

ממירים אוניברסליים - SEPIC

מתח היציאה של ממירים אלה מוחזק ברמה קבועה מראש, כאשר מתח כניסה גבוה מהכניסה ונמוך יותר. מומלץ במקרים בהם מתח הכניסה יכול להשתנות משמעותית. לדוגמה, במכונית מתח הסוללה יכול להשתנות בין 9 ... 14 וולט, ואתה צריך לקבל מתח יציב של 12 וולט.

הפיכת ממירים - ממיר היפוך

תפקידם העיקרי של ממירים אלה הוא להשיג את מתח היציאה של קוטביות הפוכה ביחס למקור הכוח. נוח מאוד במקרים בהם יש צורך בתזונה דו קוטבית, למשל להפעיל את מגבר ההפעלה.

את כל הממירים הללו ניתן לייצב או לא לייצב, ניתן לחבר את מתח היציאה בצורה גלוונית לכניסה או לבידוד גלווני של מתחים. הכל תלוי במכשיר הספציפי בו ייעשה שימוש בממיר.

כדי להמשיך לדיון נוסף על ממירי DC / DC, צריך לפחות לעסוק בתיאוריה.

ממיר מסוק למטה - ממיר מסוג דולר

התרשים התפקודי שלה מוצג באיור למטה. החצים על החוטים מציינים את כיוון הזרמים.

איור 2. תרשים פונקציונלי של מייצב המסוק

מתח הכניסה Uin מוחל על מסנן הכניסה - קבלים Cin. הטרנזיסטור VT משמש כאלמנט מפתח; הוא מבצע מיתוג זרם בתדר גבוה. זה יכול להיות טרנזיסטור מבנה MOSFET, IGBT או טרנזיסטור דו קוטבי קונבנציונאלי. בנוסף לפרטים אלה, המעגל מכיל דיודת פריקה VD ומסנן פלט - LCout, ממנו נכנס המתח לעומס RN.

קל לראות שהעומס מחובר בסדרה עם האלמנטים VT ו- L. לכן המעגל עקבי. כיצד מתרחש תת-מתח?

אפנון רוחב דופק - PWM

מעגל הבקרה מייצר פולסים מלבניים עם תדירות קבועה או תקופה קבועה, שהם למעשה אותו דבר. פולסים אלה מוצגים באיור 3.

איור 3. קטניות שליטה

הנה t זמן הדופק, הטרנזיסטור פתוח, tp הוא זמן ההשהיה והטרנזיסטור סגור. יחס ה- ti / T נקרא מחזור חובה של מחזור החובה, המצוין באות D והוא מתבטא ב- %% או פשוט במספרים. לדוגמא, כאשר D שווה ל- 50%, מסתבר ש- D = 0.5.

לפיכך, D יכולה להשתנות בין 0 ל -1. עם ערך של D = 1, טרנזיסטור המפתח נמצא במצב של מוליכות מלאה, וב- D = 0 במצב מנותק, במילים פשוטות, הוא סגור. קל לנחש שב- D = 50% מתח היציאה יהיה שווה לחצי מהכניסה.

די ברור שהוויסות של מתח היציאה מתרחשת בגלל שינוי ברוחב דופק הבקרה t, ולמעשה, שינוי במקדם D. עיקרון זה של ויסות נקרא דופק מודול רוחב דופק (PWM). כמעט בכל ספקי הכוח המיתוגיים, דווקא בעזרת PWM מתייצב מתח היציאה.

בתרשימים המוצגים באיורים 2 ו -6, ה- PWM "מוסתר" במלבנים עם הכיתוב "מעגל בקרה", המבצע כמה פונקציות נוספות. לדוגמא, זו יכולה להיות התחלה חלקה של מתח היציאה, הפעלה מרחוק או הגנה על הממיר מפני קצר חשמלי.

באופן כללי, ממירים היו כל כך שימושים עד שחברות המייצרות רכיבים אלקטרוניים סידרו לבקרי PWM לכל אירועים. הטווח כל כך גדול שרק כדי לרשום אותם תזדקק לספר שלם. לכן, לא עולה על אף אחד להרכיב ממירים על אלמנטים נפרדים, או כמו שאומרים לעיתים קרובות על "אבקה רופפת".

יתר על כן, ממירים מוכנים בעלי קיבולת קטנה ניתן לקנות אצל Aliexpress או Ebay במחיר קטן. במקביל, להתקנה בעיצוב חובבני, די בהלחמת חוטי הכניסה והפלט ללוח, ולהגדיר את מתח היציאה הנדרש.

אבל בחזרה לדמות שלנו 3. במקרה זה, המקדם D קובע כמה זמן יהיה פתוח (שלב 1) או סגור (שלב 2) טרנזיסטור מפתח. עבור שני שלבים אלה, תוכלו לדמיין את התרשים בשתי דמויות. הנתונים לא מראים את האלמנטים שלא משתמשים בהם בשלב זה.

איור 4. שלב 1

כאשר הטרנזיסטור פתוח, הזרם ממקור הכוח (תא גלווני, סוללה, מיישר) עובר דרך חנק אינדוקטיבי L, עומס RN וקבל טעינה. במקרה זה, זרם זורם בעומס, הקבל קוט והמשרן L צוברים אנרגיה. ה- iL הנוכחי עולה בהדרגה, השפעת השראות המשרן משפיעה. שלב זה נקרא שאיבה.

לאחר שהמתח בעומס מגיע לערך שנקבע (נקבע על ידי הגדרות מכשיר הבקרה), הטרנזיסטור VT נסגר והמכשיר עובר לשלב השני - שלב הפריקה. הטרנזיסטור הסגור בדמות לא מוצג כלל, כאילו לא היה קיים. אבל זה רק אומר שהטרנזיסטור סגור.

איור 5. שלב ב '

כאשר הטרנזיסטור VT סגור, אין חידוש אנרגיה במשרן, מכיוון שמקור הכוח מנותק. השראות L נוטה למנוע שינוי בעוצמתו ובכיווןו של הזרם (אינדוקציה עצמית) הזורם דרך סליליית המשרן.

לכן הזרם אינו יכול להפסיק באופן מיידי ונסגר דרך מעגל עומס הדיודה. בגלל זה, דיודת ה- VD נקראת bit. ככלל, מדובר בדיודה שוטקית במהירות גבוהה. לאחר תקופת הבקרה של שלב 2, המעגל עובר לשלב 1, התהליך חוזר שוב. המתח המרבי ביציאת המעגל הנחשב יכול להיות שווה לכניסה, ולא יותר. כדי להשיג מתח יציאה גדול יותר ממתח הכניסה, משתמשים בממירי הגברה.

יש לציין שלמעשה לא הכל פשוט כמו שנכתב לעיל: ההנחה היא שכל הרכיבים מושלמים, כלומר כיבוי וכיבוי מתרחש ללא דיחוי, וההתנגדות הפעילה היא אפס. בייצור המעשי של סכימות כאלה יש לקחת בחשבון ניואנסים רבים, מכיוון שהרבה תלוי באיכות הרכיבים המשמשים ובקיבול הטפילי של ההתקנה. רק על פרט כה פשוט כמו מצערת (טוב, רק סליל חוט!), אתה יכול לכתוב יותר ממאמר אחד.

לעת עתה, נדרש רק לזכור את ערך השראות עצמו הקובע שני מצבי הפעלה של המסוק. עם השראות בלתי מספקת, הממיר יפעל במצב זרם לא רצוף, דבר שאינו מקובל לחלוטין למקורות כוח.

אם השראות מספיק גדולות, העבודה מתבצעת במצב זרם רציף, המאפשר שימוש במסנני הפלט להשגת מתח קבוע ברמת אדווה מקובלת. במצב הנוכחי הרציף פועלים גם ממירי צעד-על, שיתוארו בהמשך.

לצורך עלייה מסוימת ביעילות, דיודת פריקת VD מוחלפת על ידי טרנזיסטור MOSFET, אשר נפתח בזמן הנכון על ידי מעגל הבקרה. ממירים כאלה נקראים סינכרוניים. השימוש בהם מוצדק אם כוחו של הממיר מספיק גדול.

שלב או ממיר boost boost

ממירי בוסט משמשים בעיקר להספקת מתח נמוכה, למשל משתי לשלוש סוללות, ורכיבים מסוימים דורשים 12 ... 15 וולט עם צריכת זרם נמוכה. לעתים קרובות למדי, ממיר ההעלאה נקרא בקצרה וברורה את המילה "בוסטר".

איור 6. תרשים פונקציונלי של ממיר דחיפה

מתח הכניסה Uin מוחל על מסנן הכניסה Cin ומופעל על הסדרה המחוברת משרן L ומעבר טרנזיסטור VT. דיודה VD מחוברת לנקודת החיבור של סליל וניקוז הטרנזיסטור. עומס RN וקבל shunt קוט מחוברים למסוף השני של הדיודה.

הטרנזיסטור VT נשלט על ידי מעגל בקרה המייצר אות בקרת תדרים יציב עם מחזור חובה מתכוונן D, באותו אופן כפי שתואר לעיל בתיאור מעגל המסוק (איור 3). דיודת ה- VD בזמן הנכון חוסמת את העומס מטרנזיסטור המפתח.

כאשר טרנזיסטור המפתחות פתוח, הפלט הימני של סליל L ​​מחובר לקוטב השלילי של ספק הכוח Uin. זרם עולה (השפעת השראות משפיע) ממקור הכוח זורם דרך הסליל וטרנזיסטור פתוח, אנרגיה מצטברת בסליל.

בשלב זה, דיודת VD חוסמת את העומס וקבל הפלט ממעגל המפתח ובכך מונעת פריקת קבל הפלט דרך טרנזיסטור פתוח. העומס ברגע זה מופעל על ידי האנרגיה המאוחסנת בקבל הקוט. באופן טבעי, המתח על פני קבל הקלט יורד.

ברגע שמתח היציאה הופך למעט נמוך מזה שנקבע (נקבע על ידי הגדרות מעגל הבקרה), טרנזיסטור המפתחות VT נסגר, והאנרגיה שנשמרה במשרן טוענת את הקבל קוט דרך הדיודה VD, המזינה את העומס. במקרה זה, EMF ההשראה העצמית של הסליל L ​​מתווסף למתח הכניסה ומועבר לעומס, לכן מתח היציאה גדול יותר ממתח הכניסה.

כאשר מתח היציאה מגיע לרמת הייצוב שנקבעה, מעגל הבקרה פותח את הטרנזיסטור VT, והתהליך חוזר משלב אחסון האנרגיה.

ממירים אוניברסליים - SEPIC (ממיר משרן ראשי או ממיר חד-קצה עם השראות ראשוניות עמוסות לא סימטרית).

ממירים כאלו משמשים בעיקר כאשר לעומס יש מתח נמוך, ומתח הכניסה משתנה ביחס לתפוקה במידה רבה יותר או פחות.

איור 7. תרשים פונקציונלי של ממיר SEPIC

זה דומה מאוד למעגל ממירי ההגברה המוצג באיור 6, אך יש בו אלמנטים נוספים: קבל C1 וסליל L2. האלמנטים הללו הם אלו שמבטיחים את פעולת הממיר במצב של תת-מתח.

ממירי SEPIC משמשים במקרים בהם מתח הכניסה משתנה מאוד. דוגמה לכך היא רגולטור ממיר המדרגה 4V-35V עד 1.23V-32V Boost Buck Step Up / Down. תחת שם זה נמכר ממיר בחנויות סיניות שהמעגל שלה מוצג באיור 8 (לחץ על התמונה להגדלה).

איור 8. תרשים סכמטי של ממיר SEPIC

איור 9 מראה את מראה הלוח עם ייעוד האלמנטים העיקריים.

איור 9. הופעה של ממיר SEPIC

האיור מציג את החלקים העיקריים בהתאם לתרשים 7. כדאי לשים לב לנוכחות של שני סלילים L1 L2. על סמך תכונה זו ניתן לקבוע כי זהו בדיוק ממיר SEPIC.

מתח הכניסה של הלוח יכול להיות בטווח של 4 ... 35V. במקרה זה, ניתן לכוונן את מתח היציאה בתוך 1.23 ... 32V. תדר ההפעלה של הממיר הוא 500KHz. עם גודל קטן של 50 x 25 על 12 מ"מ, הלוח מספק כוח עד 25 וואט. זרם פלט מרבי עד 3A.

אבל כאן יש להעיר הערה. אם מתח היציאה מוגדר ל 10 וולט, אז זרם היציאה לא יכול להיות גבוה מ 2.5A (25W). עם מתח יציאה של 5 וולט וזרם מרבי של 3A, ההספק יהיה 15W בלבד. העיקר כאן הוא לא להגזים: או שלא יחרגו מההספק המרבי המותר, או שלא יחרגו מהזרם המותר.

ראה גם: החלפת ספקי כוח - עיקרון הפעולה

בוריס אלאדישקין