Conversores DC-DC

Para alimentar vários equipamentos eletrônicos, os conversores DC / DC são amplamente utilizados. Eles são usados ​​em dispositivos de computação, dispositivos de comunicação, vários circuitos de controle e automação, etc.

Fontes de alimentação do transformador

Nas fontes de alimentação tradicionais de transformadores, a tensão da rede é convertida por um transformador, na maioria das vezes reduzido, para o valor desejado. Subtensão retificado por uma ponte de diodos e suavizado por um filtro de capacitor. Se necessário, um estabilizador semicondutor é colocado após o retificador.

As fontes de alimentação do transformador geralmente são equipadas com estabilizadores lineares. Há pelo menos duas vantagens de tais estabilizadores: é um pequeno custo e um pequeno número de peças no chicote. Mas essas vantagens são consumidas pela baixa eficiência, pois uma parte significativa da tensão de entrada é usada para aquecer o transistor de controle, o que é completamente inaceitável para alimentar dispositivos eletrônicos portáteis.

Conversores DC / DC

Se o equipamento for alimentado por células galvânicas ou baterias, a conversão de voltagem para o nível desejado será possível apenas com a ajuda de conversores CC / CC.

A idéia é bastante simples: uma tensão constante é convertida em tensão alternada, como regra, com uma frequência de várias dezenas ou mesmo centenas de quilómetros, aumenta (diminui) e é retificada e alimentada à carga. Esses conversores são freqüentemente chamados de pulso.

Um exemplo é o conversor de impulso de 1,5V a 5V, apenas a tensão de saída de um computador USB. Um conversor de energia semelhante é vendido no Aliexpress.

Fig. 1. conversor 1.5V / 5V

Os conversores de pulso são bons, pois têm alta eficiência, dentro de 60 a 90%. Outra vantagem dos conversores de pulso é uma ampla faixa de tensões de entrada: a tensão de entrada pode ser menor que a tensão de saída ou muito maior. Em geral, os conversores DC / DC podem ser divididos em vários grupos.

Classificação de conversores

Abaixador ou fanfarrão

A tensão de saída desses conversores, em regra, é menor que a entrada: sem perdas especiais para o aquecimento do transistor de controle, você pode obter uma tensão de apenas alguns volts com uma tensão de entrada de 12 ... 50V. A corrente de saída desses conversores depende da demanda da carga, que por sua vez determina os circuitos do conversor.

Outro nome em inglês para o conversor chopper buck. Uma das opções para traduzir esta palavra é um disjuntor. Na literatura técnica, o conversor buck às vezes é chamado de "helicóptero". Por enquanto, lembre-se deste termo.

Aprimorar ou aprimorar a terminologia em inglês

A tensão de saída desses conversores é maior que a entrada. Por exemplo, com uma tensão de entrada de 5V, é possível obter uma saída de até 30V; além disso, pode ser continuamente regulada e estabilizada. Os conversores de impulso são frequentemente chamados de impulsionadores.

Conversores universais - SEPIC

A tensão de saída desses conversores é mantida em um nível predeterminado, com uma tensão de entrada maior que a entrada e menor. Recomendado nos casos em que a tensão de entrada pode variar significativamente. Por exemplo, em um carro, a voltagem da bateria pode variar entre 9 ... 14V e você deseja obter uma voltagem estável de 12V.

Conversores de inversão - conversor de inversão

A principal função desses conversores é obter a tensão de saída de polaridade reversa em relação à fonte de energia. Muito conveniente nos casos em que é necessária nutrição bipolar, por exemplo para alimentar o amplificador operacional.

Todos esses conversores podem ser estabilizados ou não, a tensão de saída pode ser galvanicamente conectada à entrada ou ter isolamento galvânico de tensões. Tudo depende do dispositivo específico no qual o conversor será usado.

Para avançar para uma discussão mais aprofundada dos conversores DC / DC, deve-se pelo menos lidar com a teoria.

Conversor chopper down - conversor tipo buck

Seu diagrama funcional é mostrado na figura abaixo. As setas nos fios indicam a direção das correntes.

Fig. 2. Diagrama funcional do estabilizador do helicóptero

A tensão de entrada Uin é aplicada ao filtro de entrada - capacitor Cin. O transistor VT é usado como um elemento-chave; realiza comutação de corrente de alta frequência. Poderia ser Transistor de estrutura MOSFET, IGBT ou transistor bipolar convencional. Além desses detalhes, o circuito contém um diodo de descarga VD e um filtro de saída - LCout, a partir do qual a tensão entra na carga Rn.

É fácil ver que a carga está conectada em série com os elementos VT e L. Portanto, o circuito é consistente. Como ocorre a subtensão?

Modulação por largura de pulso - PWM

O circuito de controle gera pulsos retangulares com uma frequência constante ou período constante, que é essencialmente a mesma coisa. Esses pulsos são mostrados na Figura 3.

Fig. 3. Pulsos de controle

Aqui t é o tempo de pulso, o transistor está aberto, tp é o tempo de pausa e o transistor está fechado. A relação ti / T é chamada de ciclo de serviço, indicada pela letra D e é expressa em %% ou simplesmente em números. Por exemplo, com D igual a 50%, verifica-se que D = 0,5.

Assim, D pode variar de 0 a 1. Com um valor de D = 1, o transistor chave está em um estado de condutividade total e em D = 0 em um estado de corte, simplesmente falando, está fechado. É fácil adivinhar que em D = 50% a tensão de saída será igual à metade da entrada.

É bastante óbvio que a regulação da tensão de saída ocorre devido a uma alteração na largura do pulso de controle te, de fato, uma alteração no coeficiente D. Esse princípio de regulação é chamado PWM modulado por largura de pulso (PWM). Em quase todas as fontes de alimentação comutadas, é precisamente com a ajuda do PWM que a tensão de saída é estabilizada.

Nos diagramas mostrados nas Figuras 2 e 6, o PWM está "oculto" nos retângulos com a inscrição "Circuito de controle", que executa algumas funções adicionais. Por exemplo, pode ser um início suave da tensão de saída, ativação remota ou proteção do conversor contra curto-circuito.

Em geral, os conversores eram tão amplamente utilizados que as empresas que produziam componentes eletrônicos organizados para controladores PWM em todas as ocasiões. O alcance é tão grande que, para listá-los, você precisará de um livro inteiro. Portanto, não ocorre a ninguém montar conversores em elementos discretos ou como costumam dizer em "pó solto".

Além disso, conversores pré-fabricados de pequena capacidade podem ser comprados no Aliexpress ou no Ebay por um pequeno preço. Ao mesmo tempo, para instalação em um design amador, basta soldar os fios de entrada e saída na placa e definir a tensão de saída necessária.

Mas voltando à nossa figura 3. Nesse caso, o coeficiente D determina quanto tempo será aberto (fase 1) ou fechado (fase 2) transistor chave. Para essas duas fases, você pode imaginar o diagrama em duas figuras. As figuras NÃO MOSTRAM os elementos que não são utilizados nesta fase.

Fig. 4. Fase 1

Quando o transistor está aberto, a corrente da fonte de energia (célula galvânica, bateria, retificador) passa através de um estrangulamento indutivo L, uma carga Rn e um capacitor de carregamento Cout. Ao mesmo tempo, uma corrente flui através da carga, o capacitor Cout e o indutor L acumulam energia. A corrente iL aumenta gradualmente, o efeito da indutância do indutor afeta. Essa fase é chamada de bombeamento.

Após a tensão na carga atingir o valor definido (determinado pelas configurações do dispositivo de controle), o transistor VT fecha e o dispositivo passa para a segunda fase - a fase de descarga. O transistor fechado na figura não é mostrado, como se não existisse. Mas isso significa apenas que o transistor está fechado.

Fig. 5. Fase 2

Quando o transistor VT é fechado, não há reposição de energia no indutor, pois a fonte de energia está desconectada. A indutância L tende a impedir uma mudança na magnitude e na direção da corrente (auto-indução) que flui através do enrolamento do indutor.

Portanto, a corrente não pode parar instantaneamente e fecha através do circuito de carga de diodo. Por esse motivo, o diodo VD é chamado de bit. Como regra, este é um diodo Schottky de alta velocidade. Após o período de controle da fase 2, o circuito passa para a fase 1, o processo é repetido novamente. A tensão máxima na saída do circuito considerado pode ser igual à entrada e não mais. Para obter uma tensão de saída maior que a tensão de entrada, são usados ​​conversores de reforço.

Deve-se notar que, de fato, nem tudo é tão simples como o descrito acima: supõe-se que todos os componentes sejam perfeitos, ou seja, ligar e desligar ocorre sem demora e a resistência ativa é zero. Na fabricação prática de tais esquemas, muitas nuances precisam ser levadas em consideração, pois depende muito da qualidade dos componentes utilizados e da capacitância parasitária da instalação. Apenas sobre um detalhe tão simples como um acelerador (bem, apenas uma bobina de arame!), Você pode escrever mais de um artigo.

Por enquanto, é necessário recuperar o próprio valor da indutância, que determina dois modos de operação do helicóptero. Com indutância insuficiente, o conversor funcionará no modo de corrente descontínua, o que é completamente inaceitável para fontes de energia.

Se a indutância for grande o suficiente, o trabalho será realizado no modo de corrente contínua, o que permite o uso dos filtros de saída para obter uma tensão constante com um nível aceitável de ondulação. No modo de corrente contínua, os conversores intensivos também funcionam, que serão descritos abaixo.

Para aumentar a eficiência, o diodo de descarga VD é substituído por um transistor MOSFET, que é aberto no momento certo pelo circuito de controle. Esses conversores são chamados síncronos. Seu uso é justificado se a potência do conversor for grande o suficiente.

Conversores de reforço ou reforço

Os conversores de reforço são usados ​​principalmente para fontes de alimentação de baixa tensão, por exemplo, de duas a três baterias, e alguns componentes requerem 12 ... 15 V com baixo consumo de corrente. Freqüentemente, o conversor de impulso é chamado de forma breve e clara da palavra "reforço".

Fig. 6. Diagrama funcional do conversor de impulso

A tensão de entrada Uin é aplicada ao filtro de entrada Cin e aplicada ao conector conectado em série indutor L e transistor de comutação VT. Um diodo VD é conectado ao ponto de conexão da bobina e dreno do transistor. Uma carga Rn e um capacitor de derivação Cout estão conectados ao outro terminal do diodo.

O transistor VT é controlado por um circuito de controle que gera um sinal de controle de frequência estável com um ciclo de serviço ajustável D, da mesma maneira que descrito acima na descrição do circuito do chopper (Fig. 3). O diodo VD no momento certo bloqueia a carga do transistor de chave.

Quando o transistor de chave está aberto, a saída do lado direito da bobina L é conectada ao polo negativo da fonte de alimentação Uin. O aumento da corrente (o efeito da indutância afeta) da fonte de energia flui através da bobina e de um transistor aberto; a energia é acumulada na bobina.

Nesse momento, o diodo VD bloqueia a carga e o capacitor de saída do circuito principal, impedindo, assim, a descarga do capacitor de saída através de um transistor aberto. A carga neste momento é alimentada pela energia armazenada no capacitor Cout. Naturalmente, a tensão no capacitor de saída cai.

Assim que a tensão de saída se torna ligeiramente menor que o valor definido (determinado pelas configurações do circuito de controle), o transistor chave VT fecha e a energia armazenada no indutor recarrega o Cout do capacitor através do diodo VD, que alimenta a carga. Nesse caso, o EMF de auto-indução da bobina L é adicionado à tensão de entrada e transferido para a carga, portanto, a tensão de saída é maior que a tensão de entrada.

Quando a tensão de saída atinge o nível de estabilização definido, o circuito de controle abre o transistor VT e o processo é repetido a partir da fase de armazenamento de energia.

Conversores universais - SEPIC (conversor de indutor primário de extremidade única ou conversor com indutância primária carregada assimetricamente).

Esses conversores são usados ​​principalmente quando a carga tem baixa potência e a tensão de entrada muda em relação à saída em maior ou menor grau.

Fig. 7. Diagrama funcional do conversor SEPIC

É muito semelhante ao circuito conversor de reforço mostrado na Figura 6, mas possui elementos adicionais: capacitor C1 e bobina L2. São esses elementos que garantem a operação do conversor no modo de subtensão.

Os conversores SEPIC são usados ​​nos casos em que a tensão de entrada varia amplamente. Um exemplo é o regulador do conversor de subida / descida da tensão de reforço de 4V-35V a 1,23V-32V. É sob esse nome que um conversor é vendido nas lojas chinesas, cujo circuito é mostrado na Figura 8 (clique na imagem para ampliar).

Fig. 8. Diagrama esquemático do conversor SEPIC

A Figura 9 mostra a aparência do quadro com a designação dos principais elementos.

Fig. 9. Aparência do conversor SEPIC

A figura mostra as partes principais de acordo com a figura 7. Você deve prestar atenção à presença de duas bobinas L1 L2. Com base nesse recurso, pode-se determinar que esse é precisamente o conversor SEPIC.

A tensão de entrada da placa pode estar na faixa de 4 ... 35V. Nesse caso, a tensão de saída pode ser ajustada dentro de 1,23 ... 32V. A frequência de operação do conversor é de 500 KHz. Com um tamanho pequeno de 50 x 25 x 12 mm, a placa fornece energia de até 25 watts. Corrente de saída máxima de até 3A.

Mas aqui uma observação deve ser feita. Se a tensão de saída estiver ajustada para 10V, a corrente de saída não poderá ser superior a 2,5A (25W). Com uma tensão de saída de 5V e uma corrente máxima de 3A, a potência será de apenas 15W. O principal aqui é não exagerar: não exceda a potência máxima permitida ou não ultrapasse a corrente permitida.

Veja também: Fontes de alimentação comutadas - princípio de operação

Boris Aladyshkin