Jak navrhnout převodník push-pull - základní teorie, konstrukce a demonstrace

Pokud jde o práci s výkonovou elektronikou, stává se topologie DC-DC převaděče pro praktické konstrukce velmi zásadní. Ve výkonové elektronice jsou k dispozici hlavně dva typy hlavních topologií převodu DC-DC, jmenovitě spínací převodník a lineární převodník.

Nyní ze zákona zachování energie víme, že energii nelze vytvořit ani zničit, ale lze ji pouze transformovat. Totéž platí pro spínací regulátory, výstupní výkon (příkon) libovolného převodníku je součinem napětí a proudu, převodník DC-DC ideálně převádí napětí nebo proud, zatímco konstantní příkon. Příkladem může být situace, kdy výstup 5V může poskytnout 2A proudu. Dříve jsme navrhli 5V, 2A SMPS obvod, můžete si to ověřit, pokud to je něco, co hledáte.

Nyní zvažte situaci, kdy ji musíme změnit na výstup 10 V pro konkrétní aplikaci. Nyní, pokud se na tomto místě používá převodník DC-DC a výstup 5V 2A, který je 10W, je konstantní, v ideálním případě převodník DC-DC převede napětí na 10V s proudem 1A. Toho lze dosáhnout pomocí topologické spínací topologie, kde je spínací cívka neustále spínána.

Další nákladnou, ale užitečnou metodou je použití převaděče typu push-pull. Převodník push-pull otevírá mnoho možností převodu, jako jsou Buck, Boost, Buck-Boost, izolované nebo dokonce neizolované topologie, také je to jedna z nejstarších spínacích topologií používaných v výkonové elektronice, které vyžadují minimální součástky střední výkony (typicky - 150 W až 500 W) s vícenásobným výstupním napětím. Je třeba změnit vinutí transformátoru pro změnu výstupního napětí v izolovaném obvodu převodníku push-pull.

Všechny tyto funkce však kladou v našich myslích mnoho otázek. Jak funguje převodník Push-Pull? Jaké komponenty jsou důležité pro sestavení obvodu převodníku push-pull? Čtěte tedy dál a my zjistíme všechny potřebné odpovědi a nakonec vytvoříme praktický obvod pro demonstraci a testování, takže pojďme přímo do toho.

Konstrukce převodníku push-pull

Jméno má odpověď. Push a Pull mají dva opačné významy stejné věci. Jaký je laický význam Push-Pull? Slovník říká, že slovo tlačit znamená pohybovat se vpřed pomocí síly, aby se lidé nebo předměty pohybovali stranou. V převaděči DC-DC typu push-pull definuje push tlak na proud nebo na napájení proudu. Co znamená tah? Slovník opět říká, že na někoho nebo něco vyvine sílu, aby způsobil pohyb k sobě. V převodníku push-pull je to opět proud, který je tažen.

Převodník push-pull je tedy typ spínacího převodníku, kde proudy jsou do něčeho neustále tlačeny a neustále z něčeho vytahovány. Jedná se o typ zpětného transformátoru nebo induktoru. Proud je neustále tlačen a vytahován z transformátoru. Pomocí této metody push-pull transformátor přenáší tok na sekundární cívku a poskytuje určitý druh izolovaného napětí.

Nyní, protože se jedná o typ spínacího regulátoru, také proto, že transformátor musí být spínán takovým způsobem, že je třeba proud tlačit a táhnout synchronně, k tomu potřebujeme nějaký spínací regulátor. Zde je vyžadován asynchronní ovladač push-pull. Nyní je zřejmé, že přepínače jsou vyráběny s různými typy tranzistorů nebo mosfetů.

Na trhu s elektronikou je k dispozici spousta ovladačů push-pull, které lze okamžitě použít pro práci související s konverzací push-pull.

Několik takových integrovaných obvodů ovladačů najdete v níže uvedeném seznamu -

LT3999
MAX258
MAX13253
LT3439
TL494

Jak funguje převodník Push Pull?

Abychom pochopili princip fungování převodníku push-pull, nakreslili jsme základní obvod, který je základním převaděčem half-bridge push-pull, a jeho ukázka níže, pro jednoduchost, jsme pokryli topologii polovičního můstku, ale je k dispozici další běžná topologie, a to je známé jako převodník typu push-pull s plným můstkem.

Dva NPN tranzistory umožní funkci push-pull. Dva tranzistory Q1 a Q2 nelze zapnout současně. Když je Q1 zapnutý, Q2 zůstane vypnutý, když je Q1 vypnutý, Q2 se zapne. Stane se to postupně a bude to pokračovat jako smyčka.

Jak vidíme, výše uvedený obvod používá transformátor, jedná se o izolovaný převodník push-pull.

Obrázek nahoře ukazuje stav, kdy je Q1 zapnutá a Q2 vypnuta. Proud tedy bude protékat středovým odbočkem transformátoru a půjde k zemi přes tranzistor Q1, zatímco Q2 bude blokovat tok proudu na druhém odbočce transformátoru. Přesně opačná věc se stane, když se Q2 zapne a Q1 zůstane vypnutá. Kdykoli nastanou změny v proudu, transformátor přenáší energii z primární strany na sekundární stranu.

Výše uvedený graf je velmi užitečný ke kontrole, jak se to děje, zpočátku v obvodu nebylo žádné napětí ani proud. Q1 zapnuto, konstantní napětí nejprve udeří do odbočky, protože obvod je nyní uzavřen. Proud se začíná zvyšovat a poté se na sekundární stranu indukuje napětí.

V další fázi se po časové prodlevě tranzistor Q1 vypne a Q2 se zapne. Přichází několik důležitých věcí - parazitní kapacita transformátoru a indukčnost tvoří LC obvod, který začíná spínat v opačné polaritě. Náboj začne protékat zpět v opačném směru druhým vinutím odbočky transformátoru. Tímto způsobem je proud těmito dvěma tranzistory neustále tlačen do alternativních režimů. Protože se však tahání provádí pomocí LC obvodu a středového odbočky transformátoru, nazývá se to push-pull topologie. Často je to popsáno takovým způsobem, že dva tranzistory tlačí proud střídavě a pojmenovávají konvenční push-pull, kde tranzistory nevytahují proud. Průběh zátěže vypadá jako pilovitý zub, ale není to tak, jak je znázorněno ve výše uvedeném průběhu.

Jak jsme se naučili, jak funguje návrh převodníku push-pull, pojďme k tomu, abychom pro něj vytvořili skutečný obvod, a pak to můžeme analyzovat na stolici. Ale předtím se pojďme podívat na schéma.

Komponenty potřebné k sestavení praktického převaděče Push Pull

Níže uvedený obvod je postaven na prkénku. Komponenty používané pro testování obvodů jsou následující -

2 ks induktory se stejným jmenovitým výkonem - toroidní tlumivka 220uH 5A.
Kondenzátor z polyesterové fólie 0,1 uF - 2 ks
1k rezistor 1% - 2 ks
ULN2003 Darlingtonův párový tranzistor
100uF 50V kondenzátor

Praktické obvodové schéma převodníku Push-Pull

Schéma je docela přímé. Pojďme analyzovat připojení, ULN2003 je Darlingtonovo párové tranzistorové pole. Toto tranzistorové pole je užitečné, protože volnoběžné diody jsou k dispozici uvnitř čipové sady a nevyžaduje žádné další komponenty, čímž se zabrání jakémukoli dalšímu složitému směrování na prkénku. Pro synchronní ovladač používáme jednoduchý RC časovač, který synchronně zapíná a vypíná tranzistory a vytváří efekt push-pull napříč induktory.

Praktický převodník Push-Pull - funkční

Práce obvodu je jednoduchá. Pojďme odstranit Darlingtonův pár a zjednodušit obvod pomocí dvou tranzistorů Q1 a Q2.

RC sítě jsou propojeny v křížové poloze se základnou Q1 a Q2, které zapínají alternativní tranzistory pomocí techniky zpětné vazby zvané regenerativní zpětná vazba.

Začíná to fungovat takto - Když přivedeme napětí na středový odbočku transformátoru (kde je společné spojení mezi dvěma induktory), bude proud protékat transformátorem. V závislosti na hustotě toku a nasycení polarity, záporné nebo kladné, se proud nejprve nabíjí C1 a R1 nebo C2 a R2, ne obojí. Představme si, že C1 a R1 získají proud jako první. C1 a R1 poskytují časovač, který zapne tranzistor Q2. Část L2 transformátoru indukuje napětí pomocí magnetického toku. V této situaci se C2 a R2 začnou nabíjet a zapínají Q1. Sekce L1 transformátoru poté indukuje napětí. Načasování nebo frekvence jsou zcela závislé na vstupním napětí, nasyceném toku transformátoru nebo induktoru, primárních závitech, ploše průřezu čtvercového centimetru jádra.Vzorec frekvence je-

f = (V _in * ¹⁰⁸) / (4 * β _s * A * N)

Kde Vin je vstupní napětí, ¹⁰⁸ je konstantní hodnota, β _s je hustota nasyceného toku jádra, která se odráží na transformátoru, A je plocha průřezu a N je počet závitů.

Testování obvodu převodníku Push Pull

Pro testování obvodu jsou zapotřebí následující nástroje -

Dva milimetry - jeden pro kontrolu vstupního napětí a druhý pro výstupní napětí
Osciloskop
Stolní napájecí zdroj.

Obvod je zkonstruován v prkénku a výkon se pomalu zvyšuje. Vstupní napětí je 2,16 V, zatímco výstupní napětí je 8,12 V, což je téměř čtyřnásobek vstupního napětí.

Tento obvod však nepoužívá žádnou topologii zpětné vazby, takže výstupní napětí není konstantní a ani izolované.

Frekvence a přepínání push-pull je sledováno v osciloskopu

Takže obvod nyní funguje jako push-pull boost převodník, kde výstupní napětí není konstantní. Očekává se, že tento převaděč typu push-pull by mohl poskytnout příkon až 2 W, ale kvůli nedostatku generování zpětné vazby jsme jej netestovali.

Závěry

Tento obvod je jednoduchou formou převodníku push-pull. Pro požadovaný výstup se však vždy doporučuje použít vhodný IC ovladač push-pull. Obvod lze zkonstruovat způsobem, kdy lze izolovat nebo neizolovat libovolnou topologii v převodu typu push-pull.

Níže uvedený obvod je správným obvodem řízeného push-pull měniče DC na DC. Jedná se o převodník 1: 1 push-pull využívající LT3999 pro Analog Devices (Linear Technologies).

Doufám, že se vám článek líbil a dozvěděli jste se něco nového, pokud máte nějaké dotazy týkající se tohoto tématu, vložte komentář níže nebo můžete svůj dotaz zveřejnit přímo na našem fóru.