Jak zaprojektować konwerter push-pull - podstawowa teoria, konstrukcja i demonstracja

Jeśli chodzi o pracę z energoelektroniką, topologia przetwornika DC-DC staje się bardzo istotna w praktycznych projektach. W energoelektronice dostępne są głównie dwa typy głównych topologii konwersji DC-DC, a mianowicie przetwornica przełączająca i przetwornica liniowa.

Otóż ​​z prawa zachowania energii wiemy, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć, ale można ją tylko przekształcić. To samo dotyczy regulatorów przełączających, moc wyjściowa (moc w watach) dowolnego przetwornika jest iloczynem napięcia i prądu, przetwornica DC-DC idealnie przekształca napięcie lub prąd, gdy moc jest stała. Przykładem może być sytuacja, w której wyjście 5V mogłoby dostarczyć 2A prądu. Wcześniej zaprojektowaliśmy obwód SMPS 5 V, 2 A, możesz to sprawdzić, czy jest to coś, czego szukasz.

Rozważmy teraz sytuację, w której musimy zmienić to na wyjście 10 V dla określonej aplikacji. Teraz, jeśli konwerter DC-DC jest używany w tym miejscu, a 5V 2A, które jest 10W wyjściowe jest stałe, w idealnym przypadku konwerter DC-DC przekształci napięcie na 10 V z prądem znamionowym 1A. Można to zrobić za pomocą topologii przełączania podwyższającego, w której przełączana cewka indukcyjna jest stale przełączana.

Inną kosztowną, ale użyteczną metodą jest użycie konwertera przeciwsobnego. Przetwornik typu push-pull otwiera wiele możliwości konwersji, takich jak Buck, Boost, Buck-Boost, izolowane lub nawet nieizolowane topologie, a także jest jedną z najstarszych topologii przełączających stosowanych w energoelektronice, która wymaga minimalnej liczby komponentów do produkcji średniej mocy wyjściowej (zwykle od 150 W do 500 W) z wieloma napięciami wyjściowymi. W celu zmiany napięcia wyjściowego w izolowanym obwodzie przekształtnika przeciwsobnego konieczna jest zmiana uzwojenia transformatora.

Jednak wszystkie te cechy rodzą wiele pytań. Na przykład, jak działa konwerter Push-Pull? Jakie komponenty są ważne do zbudowania obwodu konwertera przeciwsobnego? Więc czytaj dalej, a poznamy wszystkie niezbędne odpowiedzi, a na koniec zbudujemy praktyczny obwód do demonstracji i testowania, więc przejdźmy od razu do tego.

Budowa konwertera Push-Pull

Imię ma odpowiedź. Push i Pull mają dwa przeciwne znaczenia tego samego. Jakie jest znaczenie Push-Pull w kategoriach laika? Słownik mówi, że słowo pchanie oznacza poruszanie się naprzód przy użyciu siły, aby przesuwać ludzi lub przedmioty na bok. W przetwornicy typu push-pull DC-DC, push definiuje pchanie prądu lub podawanie prądu. Co oznacza ciągnięcie? Słownik ponownie mówi, że należy wywierać siłę na kogoś lub coś, aby spowodować ruch w kierunku siebie. W konwerterze przeciwsobnym ponownie pobierany jest prąd.

Zatem konwerter przeciwsobny jest rodzajem konwertera przełączającego, w którym prądy są stale wpychane do czegoś i stale z czegoś wyciągane. Jest to rodzaj transformatora typu flyback lub cewki indukcyjnej. Prąd jest stale wypychany i wyciągany z transformatora. Stosując tę ​​metodę przeciwsobną, transformator przekazuje strumień do uzwojenia wtórnego i dostarcza pewnego rodzaju izolowane napięcie.

Skoro jest to rodzaj regulatora impulsowego, tak samo transformator musi być przełączany w taki sposób, że prąd musi być popychany i ciągnięty synchronicznie, do tego potrzebny jest jakiś regulator przełączający. W tym przypadku wymagany jest asynchroniczny sterownik push-pull. Teraz jest oczywiste, że przełączniki są wykonane z różnymi typami tranzystorów lub mosfetów.

Na rynku elektronicznym dostępnych jest wiele sterowników typu push-pull, których można natychmiast użyć do pracy związanej z konwersacją typu push-pull.

Niewiele takich układów sterowników można znaleźć na poniższej liście:

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

Jak działa konwerter Push Pull?

Aby zrozumieć zasadę działania konwertera push-pull, narysowaliśmy podstawowy obwód, który jest podstawowym półmostkowym konwerterem push-pull, a jego pokazany poniżej, dla uproszczenia, omówiliśmy topologię półmostkową, ale jest dostępna inna powszechna topologia, znana jako konwerter typu full-bridge push-pull.

Dwa tranzystory NPN umożliwią działanie przeciwsobne. Nie można włączyć dwóch tranzystorów Q1 i Q2 jednocześnie. Kiedy Q1 jest włączony, Q2 pozostanie wyłączony, gdy Q1 zostanie wyłączony, Q2 się włączy. Będzie się to działo sekwencyjnie i będzie kontynuowane jako pętla.

Jak widać w powyższym obwodzie zastosowano transformator, jest to izolowany przetwornik przeciwsobny.

Powyższy obraz pokazuje stan, w którym Q1 jest włączony, a Q2 się wyłączy. W ten sposób prąd przepłynie przez środkowy zaczep transformatora i trafi do ziemi przez tranzystor Q1, podczas gdy Q2 zablokuje przepływ prądu na drugim zaczepie transformatora. Dokładnie odwrotnie dzieje się, gdy Q2 włącza się, a Q1 pozostaje wyłączony. Ilekroć zachodzą zmiany w przepływie prądu, transformator przenosi energię ze strony pierwotnej na stronę wtórną.

Powyższy wykres jest bardzo przydatny do sprawdzenia, jak to się dzieje, na początku w obwodzie nie było napięć ani prądu. Q1 jest włączony, najpierw pojawia się stałe napięcie w kranie, gdy obwód jest teraz zamknięty. Prąd zaczyna wzrastać, a następnie napięcie jest indukowane po stronie wtórnej.

W kolejnej fazie po pewnym czasie tranzystor Q1 wyłącza się i Q2 zostaje włączony. Oto kilka ważnych rzeczy w pracy - pasożytnicza pojemność transformatora i indukcyjność tworzą obwód LC, który zaczyna przełączać się z przeciwną polaryzacją. Ładunek zaczyna płynąć z powrotem w przeciwnym kierunku przez drugie uzwojenie zaczepu transformatora. W ten sposób prąd jest stale popychany w trybach naprzemiennych przez te dwa tranzystory. Jednakże, ponieważ ciągnięcie jest wykonywane przez obwód LC i środkowy zaczep transformatora, nazywa się to topologią push-pull. Często jest to opisane w taki sposób, że dwa tranzystory przepychają prąd na przemian, nazywając konwencję push-pull, w której tranzystory nie pobierają prądu. Przebieg obciążenia wygląda jak piłokształtny, jednak nie jest tak, jak pokazano na powyższym przebiegu.

Kiedy dowiedzieliśmy się, jak działa konstrukcja konwertera typu push-pull, przejdźmy do budowy dla niego rzeczywistego obwodu, a następnie możemy przeanalizować to na stole montażowym. Ale wcześniej spójrzmy na schemat.

Komponenty wymagane do zbudowania praktycznego konwertera Push Pull

Cóż, poniższy obwód jest zbudowany na płytce stykowej. Komponenty używane do testowania obwodów są następujące:

1. 2 szt. Cewek o tej samej wartości - cewka toroidalna 220uH 5A.
2. Kondensator z folii poliestrowej 0,1uF - 2 szt
3. Rezystor 1k 1% - 2 szt
4. Tranzystor parowy Darlington ULN2003
5. Kondensator 100uF 50V

Praktyczny schemat obwodu konwertera Push-Pull

Schemat jest dość prosty. Przeanalizujmy połączenie, ULN2003 to macierz tranzystorów par Darlingtona. Ta tablica tranzystorów jest przydatna, ponieważ diody gaszące są dostępne wewnątrz chipsetu i nie wymaga żadnych dodatkowych komponentów, dzięki czemu unika się dodatkowego skomplikowanego routingu na płytce stykowej. W przypadku sterownika synchronicznego używamy prostego timera RC, który synchronicznie włącza i wyłącza tranzystory, aby stworzyć efekt push-pull na cewkach.

Praktyczny konwerter Push-Pull - działa

Działanie obwodu jest proste. Usuńmy parę Darlingtona i uprośćmy obwód za pomocą dwóch tranzystorów Q1 i Q2.

Sieci RC są połączone w pozycji krzyżowej z bazą Q1 i Q2, które włączają alternatywne tranzystory za pomocą techniki sprzężenia zwrotnego zwanego regeneracyjnym sprzężeniem zwrotnym.

Zaczyna działać w ten sposób - kiedy przyłożymy napięcie do środkowego zaczepu transformatora (gdzie jest wspólne połączenie między dwoma cewkami), prąd przepłynie przez transformator. W zależności od gęstości strumienia i nasycenia biegunowości, ujemnej lub dodatniej, prąd najpierw ładuje C1 i R1 lub C2 i R2, a nie oba. Wyobraźmy sobie, że C1 i R1 jako pierwsze pobierają prąd. C1 i R1 zapewniają zegar, który włącza tranzystor Q2. Sekcja L2 transformatora będzie indukowała napięcie za pomocą strumienia magnetycznego. W tej sytuacji C2 i R2 zaczynają się ładować i włączają Q1. Sekcja L1 transformatora indukuje następnie napięcie. Taktowanie lub częstotliwość są całkowicie zależne od napięcia wejściowego, strumienia nasycenia transformatora lub cewki indukcyjnej, zwojów pierwotnych, przekroju poprzecznego rdzenia o centymetrach kwadratowych.Wzór częstotliwości to

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

Gdzie Vin jest napięciem wejściowym, 10 ⁸ jest wartością stałą, β _s jest gęstością strumienia nasyconego rdzenia, który zostanie odbity na transformatorze, A jest polem przekroju, a N liczbą zwojów.

Testowanie obwodu konwertera Push Pull

Do testowania obwodu potrzebne są następujące narzędzia:

1. Dwa milimetry - jeden do sprawdzania napięcia wejściowego, a drugi do pomiaru napięcia wyjściowego
2. Oscyloskop
3. Zasilacz stołowy.

Obwód jest zbudowany w płytce stykowej, a moc jest powoli zwiększana. Napięcie wejściowe wynosi 2,16 V, podczas gdy napięcie wyjściowe wynosi 8,12 V, czyli prawie cztery razy więcej niż napięcie wejściowe.

Jednak ten obwód nie wykorzystuje żadnej topologii sprzężenia zwrotnego, więc napięcie wyjściowe nie jest stałe ani izolowane.

Częstotliwość i przełączanie push-pull obserwuje się na oscyloskopie

W ten sposób obwód działa teraz jako przetwornik typu push-pull, w którym napięcie wyjściowe nie jest stałe. Oczekuje się, że ten konwerter push-pull może zapewnić moc do 2W, ale nie testowaliśmy go ze względu na brak generowania sprzężenia zwrotnego.

Wnioski

Ten obwód jest prostą formą konwertera przeciwsobnego. Jednak zawsze zaleca się stosowanie odpowiedniego układu scalonego sterownika push-pull dla żądanego wyjścia. Obwód może być zbudowany w taki sposób, że izolowany lub nieizolowany, można zbudować dowolne topologie w konwersji push-pull.

Poniższy obwód jest prawidłowym obwodem sterowanej przetwornicy przeciwsobnej DC / DC. Jest to konwerter przeciwsobny 1: 1 wykorzystujący LT3999 dla Analog Devices (Linear Technologies).

Mam nadzieję, że spodobał Ci się artykuł i nauczyłeś się czegoś nowego, jeśli masz jakieś pytania dotyczące tego tematu, zostaw komentarz poniżej lub możesz zadać pytanie bezpośrednio na naszym forum.