Cum se proiectează un convertor push pull - teorie de bază, construcție și demonstrație

Când vine vorba de lucrul cu electronica de putere, o topologie a convertorului DC-DC devine foarte crucială pentru proiectele practice. Există în principal două tipuri de topologii majore de conversie DC-DC disponibile în electronica de putere, și anume, convertorul de comutare și convertorul liniar.

Acum, din legea conservării energiei, știm că energia nu poate fi creată sau distrusă, ci doar poate fi transformată. Același lucru este valabil și pentru regulatoarele de comutare, puterea de ieșire (putere) a oricărui convertor este produsul tensiunii și curentului, un convertor DC-DC convertește în mod ideal tensiunea sau curentul, în timp ce puterea este constantă. Un exemplu ar putea fi situația în care o ieșire de 5V ar putea furniza 2A de curent. Anterior am proiectat un circuit SMPS de 5V, 2A, puteți verifica acest lucru dacă căutați acest lucru.

Acum luați în considerare o situație în care trebuie să o schimbăm la o ieșire de 10V pentru o anumită aplicație. Acum, dacă se folosește un convertor DC-DC în acest loc și 5V 2A, care are o ieșire de 10W, este constant, în mod ideal convertorul DC-DC va converti tensiunea la 10V cu un curent nominal de 1A. Acest lucru se poate face folosind o topologie de comutare amplificatoare în care un inductor de comutare este constant comutat.

O altă metodă costisitoare, dar utilă este utilizarea unui convertor push-pull. Un convertor push-pull deschide o mulțime de posibilități de conversie, cum ar fi topologiile Buck, Boost, Buck-Boost, izolate sau chiar neizolate, de asemenea, este una dintre cele mai vechi topologii de comutare utilizate în electronica de putere care necesită componente minime pentru a produce ieșiri de putere medie (de obicei - 150W până la 500W) cu tensiune de ieșire multiplă. Trebuie să schimbați înfășurarea transformatorului pentru modificarea tensiunii de ieșire într-un circuit convertizor izolat push-pull.

Cu toate acestea, toate aceste caracteristici ne pun multe întrebări în minte. Cum funcționează un convertor Push-pull? Ce componente sunt importante pentru a construi un circuit convertor push-pull? Deci, citiți și vom afla toate răspunsurile necesare și, în cele din urmă, vom construi un circuit practic pentru demonstrație și testare, așa că hai să intrăm direct în el.

Construcția unui convertor Push-Pull

Numele are răspunsul. Push și Pull au două semnificații opuse ale aceluiași lucru. Care este semnificația Push-Pull în termenii profanilor? Dicționarul spune că cuvântul push înseamnă a merge mai departe folosind forța pentru a trece oameni sau obiecte pentru a se deplasa deoparte. Într-un convertor DC-DC push-pull, împingerea definește împingerea curentului sau alimentarea curentului. Acum, ce înseamnă tragere? Din nou, dicționarul spune să exercite forță asupra cuiva sau ceva pentru a provoca mișcare către sine. În convertorul push-pull, curentul este tras din nou.

Astfel, un convertor push-pull este un tip de convertor de comutare în care curenții sunt în mod constant împinși în ceva și în mod constant trageți din ceva. Acesta este un tip de transformator flyback sau un inductor. Curentul este în mod constant împins și tras din transformator. Folosind această metodă push-pull, transformatorul transferă fluxul în bobina secundară și asigură un fel de tensiune izolată.

Acum, deoarece acesta este un tip de regulator de comutare, de asemenea, deoarece transformatorul trebuie să fie comutat în așa fel încât curentul să fie împins și tras sincron, pentru aceasta avem nevoie de un fel de regulator de comutare. Aici este necesar un driver push-pull asincron. Acum, este evident că comutatoarele sunt făcute cu diferite tipuri de tranzistoare sau Mosfete.

Există o mulțime de drivere push-pull disponibile pe piața produselor electronice care pot fi utilizate imediat pentru conversații push-pull.

Puține dintre aceste IC-uri de driver pot fi găsite în lista de mai jos-

LT3999
MAX258
MAX13253
LT3439
TL494

Cum funcționează un convertor Push Pull?

Pentru a înțelege principiul de funcționare al convertorului push-pull, am trasat un circuit de bază, care este un convertor de bază push-pull pe jumătate de punte și este prezentat mai jos, din simplitate, am acoperit topologia jumătății de punte, dar există o altă topologie comună disponibilă, care este cunoscută sub numele de convertor full-bridge push-pull.

Două tranzistoare NPN vor permite funcționalitatea push-pull. Cele două tranzistoare Q1 și Q2 nu pot fi pornite în același timp. Când Q1 este pornit, Q2 va rămâne oprit, când Q1 este oprit, Q2 va porni. Se va întâmpla secvențial și va continua ca o buclă.

După cum putem vedea, circuitul de mai sus folosește un transformator, acesta este un convertor izolat push-pull.

Imaginea de mai sus arată starea în care Q1 este pornit și Q2 se va opri. Astfel, curentul va curge prin robinetul central al transformatorului și va merge la sol prin tranzistorul Q1, în timp ce Q2 va bloca fluxul de curent pe celălalt robinet al transformatorului. Exact lucrul opus se întâmplă atunci când Q2 pornește și Q1 rămâne oprit. Ori de câte ori apar modificările fluxului de curent, transformatorul transferă energia din partea primară în partea secundară.

Graficul de mai sus este foarte util pentru a verifica cum se întâmplă acest lucru, la început, nu existau tensiuni sau curent de curent în circuit. Q1 este pornit, o tensiune constantă a lovit prima dată la robinet, deoarece circuitul este închis acum. Curentul începe să crească și apoi tensiunea este indusă în partea secundară.

În faza următoare, după o întârziere, tranzistorul Q1 se oprește și Q2 este pornit. Iată câteva lucruri importante la locul de muncă - capacitatea parazită a transformatorului și inductanța formează un circuit LC care începe să comute în polaritate opusă. Sarcina începe să curgă înapoi în direcția opusă prin cealaltă înfășurare a robinetului transformatorului. În acest mod, curentul este împins în mod constant în moduri alternative de către cei doi tranzistori. Cu toate acestea, deoarece tragerea se face prin circuitul LC și prin robinetul central al transformatorului, se numește topologie push-pull. Adesea este descris în așa fel încât cei doi tranzistori împing curentul alternativ denumind convenția push-pull unde tranzistoarele nu trag curentul. Forma de undă de încărcare arată ca dinte de ferăstrău, cu toate acestea, nu este aceea care este prezentată în forma de undă de mai sus.

Pe măsură ce am învățat cum funcționează un design al convertorului push-pull, să trecem la construirea unui circuit propriu-zis pentru acesta și apoi îl putem analiza pe bancă. Dar înainte de asta, să aruncăm o privire asupra schemei.

Componente necesare pentru a construi un convertor practic Push Pull

Ei bine, circuitul de mai jos este construit pe o placă de calcul. Componentele utilizate pentru testarea circuitelor sunt următoarele:

2 buc inductoare având aceeași cotă - 220uH 5A inductor toroidal.
Condensator de film din poliester 0.1uF - 2 buc
1k rezistor 1% - 2 buc
ULN2003 Darlington tranzistor pereche
Condensator 100uF 50V

O diagramă practică a circuitului convertorului push-pull

Schema este destul de simplă. Să analizăm conexiunea, ULN2003 este matricea de tranzistori pereche Darlington. Această matrice de tranzistoare este utilă deoarece diodele cu roată liberă sunt disponibile în interiorul chipset-ului și nu necesită componente suplimentare, evitând astfel orice rutare complexă suplimentară pe o placă de calcul. Pentru driverul sincron, folosim un temporizator RC simplu, care va porni și opri sincron tranzistoarele pentru a crea un efect push-pull pe inductoare.

Convertor practic Push-Pull - Funcționează

Funcționarea circuitului este simplă. Să eliminăm perechea Darlington și să simplificăm circuitul folosind doi tranzistori Q1 și Q2.

Rețelele RC sunt conectate într-o poziție transversală cu baza Q1 și Q2, care pornesc tranzistoarele alternative utilizând o tehnică de feedback numită feedback regenerativ.

Începe să funcționeze astfel - Când aplicăm tensiune la robinetul central al transformatorului (unde conexiunea comună dintre doi inductori), curentul va curge prin transformator. În funcție de densitatea fluxului și de saturația polarității, negativă sau pozitivă, curentul se încarcă mai întâi C1 și R1 sau C2 și R2, nu ambele. Să ne imaginăm că C1 și R1 primesc curentul mai întâi. C1 și R1 oferă un cronometru care pornește tranzistorul Q2. Secțiunea L2 a transformatorului va induce tensiune folosind fluxul magnetic. În această situație, C2 și R2 încep să se încarce și pornesc Q1. Secțiunea L1 a transformatorului induce apoi o tensiune. Momentul sau frecvența este în întregime dependentă de tensiunea de intrare, fluxul saturat al transformatorului sau inductorului, rotațiile primare, secțiunea transversală a centimetrului pătrat al miezului.Formula frecvenței este-

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

Unde Vin este tensiunea de intrare, 10 ⁸ este o valoare constantă, β _s este densitatea fluxului saturat al miezului care va fi reflectat pe transformator, A este aria secțiunii transversale și N este numărul de spire.

Testarea circuitului convertorului Push Pull

Pentru testarea circuitului, sunt necesare următoarele instrumente-

Doi milimetri - unul pentru verificarea tensiunii de intrare și altul pentru tensiunea de ieșire
Un osciloscop
O sursă de alimentare pe bancă.

Circuitul este construit într-o placă de calcul și puterea crește încet. Tensiunea de intrare este de 2,16 V, în timp ce tensiunea de ieșire este de 8,12 V, ceea ce reprezintă de aproape patru ori tensiunea de intrare.

Cu toate acestea, acest circuit nu folosește nicio topologie de feedback, astfel încât tensiunea de ieșire nu este constantă și nici izolată.

Frecvența și comutarea push-pull sunt observate în osciloscop-

Astfel, circuitul acționează acum ca un convertor de impuls push-pull, unde tensiunea de ieșire nu este constantă. Este de așteptat ca acest convertor push-pull să ofere o putere de până la 2W, dar nu l-am testat din cauza lipsei de generare de feedback.

Concluzii

Acest circuit este o formă simplă a convertorului push-pull. Cu toate acestea, este întotdeauna recomandat să utilizați un driver IC push-pull adecvat pentru ieșirea dorită. Circuitul poate fi construit într-un mod în care izolate sau neizolate, pot fi construite orice topologii în conversia push-pull.

Circuitul de mai jos este un circuit adecvat al convertorului DC-DC controlat prin împingere-tracțiune. Este un convertor 1: 1 push-pull care utilizează LT3999 pentru dispozitive analogice (tehnologii liniare).

Sper că ți-a plăcut articolul și ai aflat ceva nou dacă ai întrebări cu privire la acest subiect, pune un comentariu mai jos sau poți posta întrebarea ta direct pe forumul nostru.