ตัวแปลง DC/DC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ใช้ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ อุปกรณ์สื่อสาร วงจรควบคุมและอัตโนมัติต่างๆ เป็นต้น
แหล่งจ่ายไฟของหม้อแปลงไฟฟ้า
ในแหล่งจ่ายไฟของหม้อแปลงแบบดั้งเดิม แรงดันไฟฟ้าของเครือข่ายแหล่งจ่ายไฟจะถูกแปลง ซึ่งส่วนใหญ่มักจะลดลงเป็นค่าที่ต้องการโดยใช้หม้อแปลง แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงจะถูกทำให้เรียบโดยตัวกรองตัวเก็บประจุ หากจำเป็น ให้ติดตั้งโคลงเซมิคอนดักเตอร์หลังวงจรเรียงกระแส
แหล่งจ่ายไฟของหม้อแปลงไฟฟ้ามักจะติดตั้งตัวปรับความคงตัวเชิงเส้น สารเพิ่มความคงตัวดังกล่าวมีข้อดีอย่างน้อยสองประการ: ต้นทุนต่ำและมีชิ้นส่วนจำนวนเล็กน้อยในชุดสายไฟ แต่ข้อดีเหล่านี้ถูกกัดกร่อนด้วยประสิทธิภาพต่ำเนื่องจากส่วนสำคัญของแรงดันไฟฟ้าอินพุตถูกใช้เพื่อให้ความร้อนแก่ทรานซิสเตอร์ควบคุมซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างสมบูรณ์ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา
ตัวแปลงไฟ DC/DC
หากอุปกรณ์ใช้พลังงานจากเซลล์กัลวานิกหรือแบตเตอรี่ การแปลงแรงดันไฟฟ้าให้เป็นระดับที่ต้องการจะทำได้โดยใช้ตัวแปลง DC/DC เท่านั้น
แนวคิดนี้ค่อนข้างง่าย: แรงดันไฟฟ้าตรงจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ โดยปกติจะมีความถี่หลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ เพิ่มขึ้น (ลดลง) จากนั้นแก้ไขและจ่ายให้กับโหลด ตัวแปลงดังกล่าวมักเรียกว่าตัวแปลงพัลส์
ตัวอย่างคือบูสต์คอนเวอร์เตอร์จาก 1.5V เป็น 5V เพียงแรงดันเอาต์พุตของ USB ของคอมพิวเตอร์ ตัวแปลงพลังงานต่ำที่คล้ายกันมีจำหน่ายใน Aliexpress
ข้าว. 1. ตัวแปลง 1.5V/5V
พัลส์คอนเวอร์เตอร์นั้นดีเพราะมีประสิทธิภาพสูงตั้งแต่ 60..90% ข้อดีอีกประการหนึ่งของพัลส์คอนเวอร์เตอร์คือแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่หลากหลาย: แรงดันไฟฟ้าอินพุตอาจต่ำกว่าแรงดันเอาต์พุตหรือสูงกว่ามาก โดยทั่วไป คอนเวอร์เตอร์ DC/DC สามารถแบ่งออกเป็นหลายกลุ่ม
การจำแนกประเภทของคอนเวอร์เตอร์
ลดลงในคำศัพท์ภาษาอังกฤษ step-down หรือ buck
ตามกฎแล้วแรงดันเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต: หากไม่มีการสูญเสียความร้อนอย่างมีนัยสำคัญของทรานซิสเตอร์ควบคุม คุณสามารถรับแรงดันไฟฟ้าเพียงไม่กี่โวลต์โดยมีแรงดันไฟฟ้าอินพุต 12...50V กระแสไฟเอาท์พุตของคอนเวอร์เตอร์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับความต้องการโหลด ซึ่งจะกำหนดการออกแบบวงจรของคอนเวอร์เตอร์
ชื่อภาษาอังกฤษอีกชื่อหนึ่งสำหรับตัวแปลงแบบ step-down คือตัวสับ หนึ่งในตัวเลือกการแปลสำหรับคำนี้คือผู้ขัดจังหวะ ในเอกสารทางเทคนิค ตัวแปลงสเต็ปดาวน์บางครั้งเรียกว่า "ชอปเปอร์" สำหรับตอนนี้ เรามาจำคำนี้กันดีกว่า
การเพิ่มขึ้นในคำศัพท์ภาษาอังกฤษ step-up หรือ boost
แรงดันเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต ตัวอย่างเช่น ด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุต 5V แรงดันเอาต์พุตสามารถสูงถึง 30V และสามารถควบคุมและรักษาเสถียรภาพได้อย่างราบรื่น บ่อยครั้งที่บูสต์คอนเวอร์เตอร์เรียกว่าบูสเตอร์
ตัวแปลงอเนกประสงค์ - SEPIC
แรงดันเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้จะถูกรักษาไว้ที่ระดับที่กำหนดเมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แนะนำในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าอาจแตกต่างกันภายในขีดจำกัดที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น ในรถยนต์ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่อาจแตกต่างกันภายใน 9...14V แต่คุณต้องมีแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรที่ 12V
ตัวแปลงอินเวอร์เตอร์
หน้าที่หลักของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้คือการสร้างแรงดันเอาต์พุตแบบขั้วย้อนกลับที่สัมพันธ์กับแหล่งพลังงาน สะดวกมากในกรณีที่จำเป็นต้องใช้พลังงานแบบไบโพลาร์ เป็นต้น
คอนเวอร์เตอร์ที่กล่าวถึงทั้งหมดสามารถทำให้เสถียรหรือไม่เสถียรได้ แรงดันไฟเอาท์พุตสามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าหรือมีการแยกแรงดันไฟฟ้ากัลวานิก ทุกอย่างขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เฉพาะที่จะใช้ตัวแปลง
หากต้องการทราบเรื่องราวเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวแปลง DC/DC อย่างน้อยคุณควรเข้าใจทฤษฎีในแง่ทั่วไป
เครื่องบดสับคอนเวอร์เตอร์แบบสเต็ปดาวน์-ตัวแปลงบั๊ก
แผนภาพการทำงานของมันแสดงในรูปด้านล่าง ลูกศรบนสายไฟแสดงทิศทางของกระแสน้ำ
รูปที่ 2. แผนภาพการทำงานของตัวกันโคลงของชอปเปอร์
แรงดันไฟฟ้าอินพุต Uin ถูกส่งไปยังตัวกรองอินพุต - ตัวเก็บประจุ Cin องค์ประกอบหลักใช้เป็นทรานซิสเตอร์ VT โดยทำการสลับกระแสความถี่สูง มันสามารถเป็นได้ทั้ง นอกเหนือจากชิ้นส่วนที่ระบุแล้ววงจรยังมีดิสชาร์จไดโอด VD และตัวกรองเอาต์พุต - LCout ซึ่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับโหลดRн
จะเห็นได้ง่ายว่าโหลดเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับองค์ประกอบ VT และ L ดังนั้นวงจรจึงเป็นแบบลำดับ แรงดันตกคร่อมเกิดขึ้นได้อย่างไร?
การมอดูเลตความกว้างพัลส์ - PWM
วงจรควบคุมจะสร้างพัลส์สี่เหลี่ยมที่มีความถี่คงที่หรือคาบคงที่ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วก็คือสิ่งเดียวกัน พัลส์เหล่านี้แสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 ควบคุมพัลส์
โดยที่ t คือเวลาพัลส์ ทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ t คือเวลาหยุดชั่วคราว และทรานซิสเตอร์ปิดอยู่ อัตราส่วน ti/T เรียกว่าวัฏจักรหน้าที่ ซึ่งแสดงด้วยตัวอักษร D และแสดงเป็น %% หรือเพียงตัวเลข ตัวอย่างเช่น เมื่อ D เท่ากับ 50% ปรากฎว่า D=0.5
ดังนั้น D สามารถแปรผันได้ตั้งแต่ 0 ถึง 1 ด้วยค่า D=1 ทรานซิสเตอร์หลักจะอยู่ในสถานะการนำไฟฟ้าเต็มรูปแบบ และเมื่อ D=0 อยู่ในสถานะตัดการเชื่อมต่อ พูดง่ายๆ ก็คือปิด เดาได้ไม่ยากว่าที่ D=50% แรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับครึ่งหนึ่งของอินพุต
เห็นได้ชัดว่าแรงดันเอาต์พุตถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนความกว้างของพัลส์ควบคุม t และในความเป็นจริงโดยการเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์ D หลักการกำกับดูแลนี้เรียกว่า (PWM) ในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเกือบทั้งหมด แรงดันไฟฟ้าขาออกจะเสถียรด้วยความช่วยเหลือของ PWM
ในแผนภาพที่แสดงในรูปที่ 2 และ 6 PWM จะถูก "ซ่อน" ไว้ในสี่เหลี่ยมที่มีข้อความว่า "วงจรควบคุม" ซึ่งทำหน้าที่เพิ่มเติมบางอย่าง ตัวอย่างเช่น นี่อาจเป็นการสตาร์ทแบบนุ่มนวลของแรงดันเอาต์พุต การเปิดสวิตช์ระยะไกล หรือการป้องกันการลัดวงจรของตัวแปลง
โดยทั่วไปแล้ว คอนเวอร์เตอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายจนผู้ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เริ่มผลิตตัวควบคุม PWM ในทุกโอกาส การแบ่งประเภทมีขนาดใหญ่มากจนคุณต้องมีหนังสือทั้งเล่ม ดังนั้นจึงไม่เคยเกิดขึ้นกับใครเลยในการประกอบคอนเวอร์เตอร์โดยใช้องค์ประกอบที่แยกจากกัน หรืออย่างที่พวกเขามักพูดกันในรูปแบบ "หลวม"
นอกจากนี้คุณสามารถซื้อตัวแปลงพลังงานต่ำสำเร็จรูปใน Aliexpress หรือ Ebay ได้ในราคาต่ำ ในกรณีนี้สำหรับการติดตั้งในรูปแบบสมัครเล่นก็เพียงพอที่จะบัดกรีสายอินพุตและเอาต์พุตเข้ากับบอร์ดและตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ
แต่กลับมาที่รูปที่ 3 ของเรากัน ในกรณีนี้ ค่าสัมประสิทธิ์ D จะเป็นตัวกำหนดว่าจะเปิด (เฟส 1) หรือปิด (เฟส 2) นานเท่าใด สำหรับสองเฟสนี้ วงจรสามารถแสดงเป็นสองภาพวาดได้ ตัวเลขไม่ได้แสดงองค์ประกอบที่ไม่ได้ใช้ในระยะนี้
รูปที่ 4. ขั้นตอนที่ 1
เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ กระแสจากแหล่งพลังงาน (เซลล์กัลวานิก, แบตเตอรี่, วงจรเรียงกระแส) จะผ่านโช้คแบบเหนี่ยวนำ L, โหลด Rн และตัวเก็บประจุการชาร์จ Cout ในเวลาเดียวกันกระแสไฟฟ้าไหลผ่านโหลด ตัวเก็บประจุ Cout และตัวเหนี่ยวนำ L จะสะสมพลังงาน iL ในปัจจุบันจะเพิ่มขึ้นทีละน้อย เนื่องจากอิทธิพลของการเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำ ระยะนี้เรียกว่าการสูบน้ำ
หลังจากที่แรงดันไฟฟ้าโหลดถึงค่าที่ตั้งไว้ (กำหนดโดยการตั้งค่าอุปกรณ์ควบคุม) ทรานซิสเตอร์ VT จะปิดและอุปกรณ์จะเคลื่อนไปที่เฟสที่สอง - เฟสคายประจุ ทรานซิสเตอร์แบบปิดในรูปจะไม่แสดงเลยราวกับว่าไม่มีอยู่จริง แต่นี่หมายความว่าทรานซิสเตอร์ปิดอยู่เท่านั้น
รูปที่ 5 ระยะที่ 2
เมื่อปิดทรานซิสเตอร์ VT จะไม่มีการเติมพลังงานในตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากแหล่งพลังงานถูกปิด ตัวเหนี่ยวนำ L มีแนวโน้มที่จะป้องกันการเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทางของกระแส (การเหนี่ยวนำตัวเอง) ที่ไหลผ่านขดลวดตัวเหนี่ยวนำ
ดังนั้นกระแสไฟฟ้าไม่สามารถหยุดได้ทันทีและถูกปิดผ่านวงจร "ไดโอดโหลด" ด้วยเหตุนี้ ไดโอด VD จึงเรียกว่าไดโอดคายประจุ ตามกฎแล้วนี่คือไดโอด Schottky ความเร็วสูง หลังจากช่วงควบคุม เฟส 2 วงจรจะเปลี่ยนเป็นเฟส 1 และกระบวนการจะทำซ้ำอีกครั้ง แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เอาต์พุตของวงจรที่พิจารณาสามารถเท่ากับอินพุตและไม่มีอะไรเพิ่มเติม เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตที่มากกว่าอินพุต จะใช้บูสต์คอนเวอร์เตอร์
สำหรับตอนนี้ เราแค่ต้องเตือนคุณเกี่ยวกับปริมาณการเหนี่ยวนำ ซึ่งจะกำหนดโหมดการทำงานสองโหมดของชอปเปอร์ หากความเหนี่ยวนำไม่เพียงพอ คอนเวอร์เตอร์จะทำงานในโหมดกระแสไฟกระชาก ซึ่งแหล่งจ่ายไฟฟ้าไม่สามารถยอมรับได้โดยสิ้นเชิง
หากตัวเหนี่ยวนำมีขนาดใหญ่เพียงพอ การดำเนินการจะเกิดขึ้นในโหมดกระแสต่อเนื่อง ซึ่งทำให้สามารถรับแรงดันคงที่ที่มีระดับระลอกคลื่นที่ยอมรับได้โดยใช้ตัวกรองเอาต์พุต บูสต์คอนเวอร์เตอร์ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่างยังทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องด้วย
เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเล็กน้อย ดิสชาร์จไดโอด VD จะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ MOSFET ซึ่งเปิดในเวลาที่เหมาะสมโดยวงจรควบคุม ตัวแปลงดังกล่าวเรียกว่าซิงโครนัส การใช้งานนั้นสมเหตุสมผลหากพลังของตัวแปลงมีขนาดใหญ่พอ
ตัวแปลงแบบก้าวขึ้นหรือเพิ่ม
บูสต์คอนเวอร์เตอร์ใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำเป็นหลัก เช่น จากแบตเตอรี่สองหรือสามก้อน และส่วนประกอบการออกแบบบางอย่างต้องใช้แรงดันไฟฟ้า 12...15V โดยสิ้นเปลืองกระแสไฟต่ำ บ่อยครั้งที่บูสเตอร์คอนเวอร์เตอร์เรียกสั้น ๆ และชัดเจนว่าคำว่า "บูสเตอร์"
รูปที่ 6. แผนภาพการทำงานของบูสต์คอนเวอร์เตอร์
แรงดันไฟฟ้าอินพุต Uin ใช้กับตัวกรองอินพุต Cin และจ่ายให้กับ L ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง VT ไดโอด VD เชื่อมต่อกับจุดเชื่อมต่อระหว่างคอยล์และท่อระบายน้ำของทรานซิสเตอร์ โหลดRнและตัวเก็บประจุแบบแบ่ง Cout เชื่อมต่อกับขั้วอื่นของไดโอด
ทรานซิสเตอร์ VT ถูกควบคุมโดยวงจรควบคุมที่สร้างสัญญาณควบคุมความถี่คงที่พร้อมรอบการทำงานที่ปรับได้ D เช่นเดียวกับที่อธิบายไว้ข้างต้นเมื่ออธิบายวงจรชอปเปอร์ (รูปที่ 3) ไดโอด VD จะบล็อกโหลดจากทรานซิสเตอร์หลักในเวลาที่เหมาะสม
เมื่อทรานซิสเตอร์หลักเปิดอยู่ เอาต์พุตด้านขวาของคอยล์ L ตามแผนภาพจะเชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งพลังงาน Uin กระแสที่เพิ่มขึ้น (เนื่องจากอิทธิพลของการเหนี่ยวนำ) จากแหล่งพลังงานไหลผ่านขดลวดและทรานซิสเตอร์แบบเปิด และพลังงานสะสมในขดลวด
ในเวลานี้ไดโอด VD จะบล็อกโหลดและตัวเก็บประจุเอาต์พุตจากวงจรสวิตชิ่ง ดังนั้นจึงป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุเอาต์พุตคายประจุผ่านทรานซิสเตอร์แบบเปิด โหลดในขณะนี้ขับเคลื่อนโดยพลังงานที่สะสมอยู่ในตัวเก็บประจุ Cout โดยธรรมชาติแล้วแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุเอาต์พุตจะลดลง
ทันทีที่แรงดันเอาต์พุตลดลงต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้เล็กน้อย (กำหนดโดยการตั้งค่าของวงจรควบคุม) ทรานซิสเตอร์สำคัญ VT จะปิดลงและพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำผ่านไดโอด VD จะชาร์จตัวเก็บประจุ Cout ใหม่ซึ่งจะให้พลังงานแก่ โหลด ในกรณีนี้แรงเคลื่อนไฟฟ้าการเหนี่ยวนำตัวเองของคอยล์ L จะถูกเพิ่มไปยังแรงดันไฟฟ้าอินพุตและถ่ายโอนไปยังโหลดดังนั้นแรงดันเอาต์พุตจึงมากกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต
เมื่อแรงดันเอาต์พุตถึงระดับเสถียรภาพที่ตั้งไว้ วงจรควบคุมจะเปิดทรานซิสเตอร์ VT และกระบวนการจะทำซ้ำจากเฟสกักเก็บพลังงาน
ตัวแปลงสากล - SEPIC (ตัวแปลงตัวเหนี่ยวนำหลักแบบปลายเดี่ยวหรือตัวแปลงที่มีการเหนี่ยวนำหลักแบบโหลดไม่สมมาตร)
ตัวแปลงดังกล่าวส่วนใหญ่จะใช้เมื่อโหลดมีกำลังไม่มีนัยสำคัญและแรงดันไฟฟ้าอินพุตเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับแรงดันเอาต์พุตขึ้นหรือลง
รูปที่ 7 แผนภาพการทำงานของตัวแปลง SEPIC
คล้ายกันมากกับวงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์ที่แสดงในรูปที่ 6 แต่มีองค์ประกอบเพิ่มเติม: ตัวเก็บประจุ C1 และคอยล์ L2 เป็นองค์ประกอบเหล่านี้ที่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานของตัวแปลงในโหมดลดแรงดันไฟฟ้า
ตัวแปลง SEPIC ใช้ในการใช้งานที่แรงดันไฟฟ้าอินพุตแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างคือ 4V-35V ถึง 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator ภายใต้ชื่อนี้ว่าตัวแปลงจำหน่ายในร้านค้าจีนซึ่งมีวงจรแสดงในรูปที่ 8 (คลิกที่ภาพเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 8. แผนผังของตัวแปลง SEPIC
รูปที่ 9 แสดงลักษณะของบอร์ดพร้อมการกำหนดองค์ประกอบหลัก
รูปที่ 9. ลักษณะที่ปรากฏของตัวแปลง SEPIC
รูปแสดงส่วนประกอบหลักตามรูปที่ 7 โปรดทราบว่ามีคอยล์ L1 L2 สองตัว จากคุณลักษณะนี้ คุณสามารถระบุได้ว่านี่คือตัวแปลง SEPIC
แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของบอร์ดสามารถอยู่ภายใน 4…35V ในกรณีนี้สามารถปรับแรงดันไฟเอาท์พุตได้ภายใน 1.23…32V ความถี่ในการทำงานของตัวแปลงคือ 500 KHz ด้วยขนาดที่เล็กเพียง 50 x 25 x 12 มม. บอร์ดนี้ให้กำลังไฟสูงสุด 25 W กระแสไฟขาออกสูงสุดถึง 3A
แต่ควรมีข้อสังเกตที่นี่ หากตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตไว้ที่ 10V กระแสเอาต์พุตจะต้องไม่สูงกว่า 2.5A (25W) ด้วยแรงดันเอาต์พุต 5V และกระแสสูงสุด 3A กำลังไฟจะอยู่ที่ 15W เท่านั้น สิ่งสำคัญที่นี่คืออย่าหักโหมจนเกินไป: ไม่เกินกำลังสูงสุดที่อนุญาตหรืออย่าไปเกินขีด จำกัด กระแสที่อนุญาต
LM2596 ลดแรงดันไฟฟ้าอินพุต (เป็น 40 V) - เอาต์พุตได้รับการควบคุม กระแสไฟฟ้าคือ 3 A เหมาะสำหรับ LED ในรถยนต์ โมดูลราคาถูกมาก - ประมาณ 40 รูเบิลในประเทศจีน
Texas Instruments ผลิตตัวควบคุม DC-DC LM2596 คุณภาพสูง เชื่อถือได้ ราคาไม่แพง และราคาถูก ใช้งานง่าย โรงงานในจีนผลิตตัวแปลงสเต็ปดาวน์แบบพัลส์ราคาถูกเป็นพิเศษ: ราคาของโมดูลสำหรับ LM2596 อยู่ที่ประมาณ 35 รูเบิล (รวมการจัดส่ง) ฉันแนะนำให้คุณซื้อครั้งละ 10 ชิ้น - จะมีการใช้อยู่เสมอและราคาจะลดลงเหลือ 32 รูเบิลและน้อยกว่า 30 รูเบิลเมื่อสั่งซื้อ 50 ชิ้น อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการคำนวณวงจรของไมโครวงจร การปรับกระแสและแรงดันไฟฟ้า การใช้งาน และข้อเสียบางประการของคอนเวอร์เตอร์
วิธีการใช้งานทั่วไปคือแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร มันง่ายที่จะสร้างแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งโดยใช้โคลงนี้ฉันใช้มันเป็นแหล่งจ่ายไฟในห้องปฏิบัติการที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้ซึ่งสามารถทนต่อไฟฟ้าลัดวงจรได้ มีความน่าสนใจเนื่องจากคุณภาพที่สม่ำเสมอ (ดูเหมือนว่าทั้งหมดจะผลิตในโรงงานเดียวกัน - และเป็นการยากที่จะทำผิดพลาดในห้าส่วน) และปฏิบัติตามเอกสารข้อมูลและคุณลักษณะที่ประกาศโดยสมบูรณ์
แอปพลิเคชั่นอื่นคือเครื่องควบคุมกระแสพัลส์สำหรับ แหล่งจ่ายไฟสำหรับ LED กำลังสูง. โมดูลบนชิปนี้จะช่วยให้คุณสามารถเชื่อมต่อเมทริกซ์ LED สำหรับยานยนต์ขนาด 10 วัตต์ได้ นอกจากนี้ยังให้การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรอีกด้วย
ฉันขอแนะนำให้ซื้อหลายสิบอัน - พวกมันจะมีประโยชน์อย่างแน่นอน มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวในแบบของตัวเอง - แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงถึง 40 โวลต์ และต้องใช้ส่วนประกอบภายนอกเพียง 5 ชิ้นเท่านั้น สะดวกนี้ - คุณสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าบนบัสจ่ายไฟสำหรับสมาร์ทโฮมเป็น 36 โวลต์โดยการลดหน้าตัดของสายเคเบิล เราติดตั้งโมดูลดังกล่าว ณ จุดสิ้นเปลืองและกำหนดค่าเป็น 12, 9, 5 โวลต์ที่ต้องการหรือตามความจำเป็น
มาดูพวกเขากันดีกว่า
ลักษณะชิป:
- แรงดันไฟฟ้าขาเข้า - ตั้งแต่ 2.4 ถึง 40 โวลต์ (สูงสุด 60 โวลต์ในรุ่น HV)
- แรงดันไฟขาออก - คงที่หรือปรับได้ (ตั้งแต่ 1.2 ถึง 37 โวลต์)
- กระแสไฟขาออก - สูงสุด 3 แอมแปร์ (พร้อมการระบายความร้อนที่ดี - สูงถึง 4.5A)
- ความถี่การแปลง - 150 kHz
- ตัวเรือน - TO220-5 (การติดตั้งผ่านรู) หรือ D2PAK-5 (การติดตั้งบนพื้นผิว)
- ประสิทธิภาพ - 70-75% ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ สูงถึง 95% ที่แรงดันไฟฟ้าสูง
- แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร
- วงจรแปลง
- แผ่นข้อมูล
- เครื่องชาร์จ USB ที่ใช้ LM2596
- โคลงปัจจุบัน
- ใช้ในอุปกรณ์โฮมเมด
- การปรับกระแสไฟขาออกและแรงดันไฟฟ้า
- ปรับปรุงแอนะล็อกของ LM2596
ประวัติ - ความคงตัวเชิงเส้น
ขั้นแรก ฉันจะอธิบายว่าทำไมตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นมาตรฐาน เช่น LM78XX (เช่น 7805) หรือ LM317 ถึงไม่ดี นี่คือแผนภาพอย่างง่าย
องค์ประกอบหลักของคอนเวอร์เตอร์ดังกล่าวคือทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์อันทรงพลังซึ่งเปิดสวิตช์ในความหมาย "ดั้งเดิม" - เป็นตัวต้านทานควบคุม ทรานซิสเตอร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของคู่ดาร์ลิงตัน (เพื่อเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนกระแสและลดพลังงานที่จำเป็นในการใช้งานวงจร) กระแสเบสถูกกำหนดโดยแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน ซึ่งจะขยายความแตกต่างระหว่างแรงดันเอาต์พุตและกระแสที่ตั้งค่าโดย ION (แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง) เช่น มีการเชื่อมต่อตามวงจรขยายข้อผิดพลาดแบบคลาสสิก
ดังนั้น คอนเวอร์เตอร์เพียงแค่เปิดตัวต้านทานต่ออนุกรมกับโหลด และควบคุมความต้านทาน เช่น ดับไฟ 5 โวลต์ตลอดโหลด มันง่ายที่จะคำนวณว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงจาก 12 โวลต์เป็น 5 (กรณีทั่วไปของการใช้ชิป 7805) อินพุต 12 โวลต์จะถูกกระจายระหว่างโคลงและโหลดในอัตราส่วน “7 โวลต์บนโคลง + 5 โวลต์ต่อโหลด” ที่กระแสครึ่งแอมแปร์จะปล่อยโหลด 2.5 วัตต์และที่ 7805 - มากถึง 3.5 วัตต์
ปรากฎว่าไฟ 7 โวลต์ "พิเศษ" ดับลงบนโคลงและกลายเป็นความร้อน ประการแรกทำให้เกิดปัญหากับการระบายความร้อน และประการที่สอง ใช้พลังงานจำนวนมากจากแหล่งพลังงาน เมื่อใช้พลังงานจากเต้ารับ สิ่งนี้ไม่ได้น่ากลัวมากนัก (ถึงแม้จะยังก่อให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมก็ตาม) แต่เมื่อใช้พลังงานจากแบตเตอรี่หรือแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ก็ไม่สามารถละเลยได้
ปัญหาอีกประการหนึ่งคือ โดยทั่วไปแล้วเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างบูสต์คอนเวอร์เตอร์โดยใช้วิธีนี้ บ่อยครั้งที่ความต้องการดังกล่าวเกิดขึ้นและความพยายามที่จะแก้ไขปัญหานี้เมื่อยี่สิบหรือสามสิบปีก่อนนั้นน่าทึ่งมาก - การสังเคราะห์และการคำนวณวงจรดังกล่าวซับซ้อนเพียงใด หนึ่งในวงจรที่ง่ายที่สุดประเภทนี้คือตัวแปลง 5V->15V แบบกดดึง
ต้องยอมรับว่ามีการแยกกระแสไฟฟ้า แต่ไม่ได้ใช้หม้อแปลงอย่างมีประสิทธิภาพ - มีการใช้ขดลวดปฐมภูมิเพียงครึ่งหนึ่งในเวลาใดก็ได้
ลืมเรื่องนี้เหมือนฝันร้ายแล้วก้าวไปสู่วงจรสมัยใหม่
แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า
โครงการ
Microcircuit สะดวกในการใช้เป็นตัวแปลงแบบสเต็ปดาวน์: มีสวิตช์ไบโพลาร์อันทรงพลังตั้งอยู่ภายใน สิ่งที่เหลืออยู่คือการเพิ่มส่วนประกอบที่เหลือของตัวควบคุม - ไดโอดเร็ว, ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาต์พุต นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะ ติดตั้งตัวเก็บประจุอินพุต - เพียง 5 ส่วน
เวอร์ชัน LM2596ADJ จะต้องมีวงจรการตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตด้วย ซึ่งเป็นตัวต้านทานสองตัวหรือตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ตัวเดียว
วงจรแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบสเต็ปดาวน์ตาม LM2596:
โครงการทั้งหมดเข้าด้วยกัน:
ที่นี่คุณสามารถ ดาวน์โหลดเอกสารข้อมูลสำหรับ LM2596.
หลักการทำงาน: สวิตช์อันทรงพลังภายในอุปกรณ์ควบคุมโดยสัญญาณ PWM ส่งพัลส์แรงดันไฟฟ้าไปยังตัวเหนี่ยวนำ ที่จุด A x% ของเวลาที่แรงดันไฟฟ้าเต็ม และ (1-x)% ของเวลาที่แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ ตัวกรอง LC จะทำให้การแกว่งเหล่านี้เรียบขึ้นโดยเน้นส่วนประกอบคงที่เท่ากับแรงดันไฟฟ้า x * ไดโอดจะทำให้วงจรสมบูรณ์เมื่อปิดทรานซิสเตอร์
รายละเอียดงานโดยละเอียด
ตัวเหนี่ยวนำต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่ไหลผ่านมัน เมื่อแรงดันไฟฟ้าปรากฏที่จุด A ตัวเหนี่ยวนำจะสร้างแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองเป็นลบขนาดใหญ่ และแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมโหลดจะเท่ากับความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายและแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเอง กระแสเหนี่ยวนำและแรงดันตกคร่อมโหลดจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น
หลังจากที่แรงดันไฟฟ้าหายไปที่จุด A ตัวเหนี่ยวนำจะพยายามรักษากระแสก่อนหน้าที่ไหลจากโหลดและตัวเก็บประจุ และลัดวงจรผ่านไดโอดลงกราวด์ - มันจะค่อยๆ ลดลง ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าโหลดจะน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเสมอและขึ้นอยู่กับรอบการทำงานของพัลส์
แรงดันขาออก
โมดูลมีให้เลือกสี่เวอร์ชัน: โดยมีแรงดันไฟฟ้า 3.3V (ดัชนี –3.3), 5V (ดัชนี –5.0), 12V (ดัชนี –12) และเวอร์ชันปรับได้ LM2596ADJ ควรใช้เวอร์ชันที่ปรับแต่งเองทุกที่ เนื่องจากมีจำหน่ายในปริมาณมากในคลังสินค้าของบริษัทอิเล็กทรอนิกส์ และคุณไม่น่าจะประสบปัญหาขาดแคลน และต้องใช้ตัวต้านทานเพนนีเพิ่มอีกสองตัวเท่านั้น และแน่นอนว่ารุ่น 5 โวลต์ก็ได้รับความนิยมเช่นกัน
จำนวนในสต็อกอยู่ในคอลัมน์สุดท้าย
คุณสามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตในรูปแบบของสวิตช์ DIP ได้ ซึ่งมีตัวอย่างที่ดีอยู่ที่นี่ หรือในรูปแบบของสวิตช์แบบหมุน ในทั้งสองกรณี คุณจะต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีตัวต้านทานแบบแม่นยำ แต่คุณสามารถปรับแรงดันไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องใช้โวลต์มิเตอร์
กรอบ
ตัวเรือนมีสองตัวเลือก: ตัวเรือนยึดระนาบ TO-263 (รุ่น LM2596S) และตัวเรือนรูทะลุ TO-220 (รุ่น LM2596T) ฉันชอบใช้ LM2596S รุ่นระนาบเนื่องจากในกรณีนี้ฮีทซิงค์คือตัวบอร์ดเอง และไม่จำเป็นต้องซื้อฮีทซิงค์ภายนอกเพิ่มเติม นอกจากนี้ความต้านทานเชิงกลยังสูงกว่ามากซึ่งแตกต่างจาก TO-220 ที่ต้องขันเข้ากับบางสิ่งบางอย่างแม้กระทั่งกับบอร์ด - แต่จะง่ายกว่าในการติดตั้งเวอร์ชันระนาบ ฉันขอแนะนำให้ใช้ชิป LM2596T-ADJ ในแหล่งจ่ายไฟเนื่องจากสามารถระบายความร้อนจำนวนมากออกจากเคสได้ง่ายกว่า
การปรับระลอกแรงดันไฟฟ้าอินพุตให้เรียบ
สามารถใช้เป็นโคลง "อัจฉริยะ" ที่มีประสิทธิภาพได้หลังจากการแก้ไขปัจจุบัน เนื่องจากไมโครเซอร์กิตตรวจสอบแรงดันเอาต์พุตโดยตรง ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าอินพุตจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนผกผันของสัมประสิทธิ์การแปลงของไมโครเซอร์กิต และแรงดันเอาต์พุตจะยังคงเป็นปกติ
จากนี้ไปเมื่อใช้ LM2596 เป็นตัวแปลงสเต็ปดาวน์หลังจากหม้อแปลงและวงจรเรียงกระแสตัวเก็บประจุอินพุต (เช่นที่อยู่หลังสะพานไดโอด) อาจมีความจุเล็กน้อย (ประมาณ 50-100 μF)
ตัวเก็บประจุเอาต์พุต
เนื่องจากความถี่ในการแปลงสูง ตัวเก็บประจุเอาต์พุตจึงไม่จำเป็นต้องมีความจุมาก แม้แต่ผู้บริโภคที่ทรงพลังก็ไม่มีเวลาที่จะลดตัวเก็บประจุนี้ลงอย่างมากในรอบเดียว มาคำนวณกัน: ใช้ตัวเก็บประจุ 100 µF, แรงดันเอาต์พุต 5 V และโหลดที่ใช้ 3 แอมแปร์ ประจุเต็มของตัวเก็บประจุ q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC
ในรอบการแปลงหนึ่ง โหลดจะใช้เวลา dq = I*t = 3 A * 6.7 μs = 20 μC จากตัวเก็บประจุ (นี่คือเพียง 4% ของประจุทั้งหมดของตัวเก็บประจุ) และรอบใหม่จะเริ่มขึ้นทันที และ ตัวแปลงจะนำพลังงานส่วนใหม่เข้าไปในตัวเก็บประจุ
สิ่งที่สำคัญที่สุดคืออย่าใช้ตัวเก็บประจุแทนทาลัมเป็นตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต พวกเขาเขียนอย่างถูกต้องในเอกสารข้อมูล - "อย่าใช้ในวงจรไฟฟ้า" เนื่องจากทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกินในระยะสั้นได้ไม่ดีนักและไม่ชอบกระแสพัลส์สูง ใช้ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคทั่วไป
ประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ และการสูญเสียความร้อน
ประสิทธิภาพไม่สูงมากนัก เนื่องจากใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เป็นสวิตช์อันทรงพลัง และมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่ไม่เป็นศูนย์ ประมาณ 1.2V ดังนั้นประสิทธิภาพที่แรงดันไฟฟ้าต่ำจึงลดลง
อย่างที่คุณเห็น ประสิทธิภาพสูงสุดจะเกิดขึ้นได้เมื่อความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกอยู่ที่ประมาณ 12 โวลต์ นั่นคือถ้าคุณต้องการลดแรงดันไฟฟ้าลง 12 โวลต์พลังงานจำนวนน้อยที่สุดจะเข้าสู่ความร้อน
ประสิทธิภาพของคอนเวอร์เตอร์คืออะไร? นี่คือค่าที่แสดงลักษณะของการสูญเสียในปัจจุบัน - เนื่องจากการสร้างความร้อนบนสวิตช์กำลังเปิดเต็มที่ตามกฎหมาย Joule-Lenz และการสูญเสียที่คล้ายกันในระหว่างกระบวนการชั่วคราว - เมื่อสวิตช์เปิดเพียงครึ่งเดียว ผลกระทบของกลไกทั้งสองสามารถเทียบเคียงได้ในขนาด ดังนั้นเราไม่ควรลืมเกี่ยวกับการสูญเสียทั้งสองเส้นทาง พลังงานจำนวนเล็กน้อยยังใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับ "สมอง" ของตัวแปลงด้วย
ตามหลักการแล้ว เมื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าจาก U1 เป็น U2 และกระแสเอาต์พุต I2 กำลังเอาต์พุตจะเท่ากับ P2 = U2*I2 กำลังไฟฟ้าอินพุตจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้านั้น (กรณีในอุดมคติ) ซึ่งหมายความว่ากระแสอินพุตจะเป็น I1 = U2/U1*I2
ในกรณีของเรา การแปลงมีประสิทธิภาพต่ำกว่าความสามัคคี ดังนั้นพลังงานส่วนหนึ่งจะยังคงอยู่ในอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น ด้วยประสิทธิภาพ η กำลังเอาท์พุตจะเป็น P_out = η*P_in และการสูญเสีย P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η แน่นอนว่าตัวแปลงจะต้องเพิ่มกระแสอินพุตเพื่อรักษากระแสเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าที่ระบุ
เราสามารถสรุปได้ว่าเมื่อแปลง 12V -> 5V และกระแสเอาต์พุต 1A การสูญเสียในวงจรไมโครจะเป็น 1.3 วัตต์และกระแสอินพุตจะเป็น 0.52A ไม่ว่าในกรณีใดนี่จะดีกว่าตัวแปลงเชิงเส้นใด ๆ ซึ่งจะให้การสูญเสียอย่างน้อย 7 วัตต์และจะใช้ 1 แอมแปร์จากเครือข่ายอินพุต (รวมถึงสิ่งที่ไร้ประโยชน์นี้ด้วย) - มากเป็นสองเท่า
อย่างไรก็ตามไมโครวงจร LM2577 มีความถี่ในการทำงานลดลงสามเท่าและประสิทธิภาพของมันสูงขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากมีการสูญเสียน้อยลงในกระบวนการชั่วคราว อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีพิกัดตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาต์พุตสูงกว่าสามเท่า ซึ่งหมายความว่าต้องใช้เงินเพิ่มและขนาดบอร์ด
กระแสไฟขาออกเพิ่มขึ้น
แม้ว่ากระแสไฟขาออกของวงจรไมโครจะค่อนข้างใหญ่อยู่แล้ว แต่บางครั้งก็จำเป็นต้องใช้กระแสมากกว่านี้ด้วยซ้ำ จะออกจากสถานการณ์นี้ได้อย่างไร?
- ตัวแปลงหลายตัวสามารถขนานกันได้ แน่นอนว่าต้องตั้งค่าให้เป็นแรงดันเอาต์พุตเท่ากันทุกประการ ในกรณีนี้คุณไม่สามารถใช้ตัวต้านทาน SMD แบบธรรมดาในวงจรการตั้งค่าแรงดันป้อนกลับได้ คุณต้องใช้ตัวต้านทานตัวใดตัวหนึ่งที่มีความแม่นยำ 1% หรือตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าด้วยตนเองด้วยตัวต้านทานแบบแปรผัน
ที่ชาร์จ USB สำหรับ LM2596
คุณสามารถสร้างเครื่องชาร์จ USB สำหรับการเดินทางที่สะดวกมากได้ ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องตั้งค่าตัวควบคุมเป็นแรงดันไฟฟ้า 5V จัดเตรียมพอร์ต USB และจ่ายไฟให้กับเครื่องชาร์จ ฉันใช้แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์รุ่นวิทยุที่ซื้อในประเทศจีนที่ให้พลังงาน 5 แอมป์ชั่วโมงที่ 11.1 โวลต์ นี่ก็มาก-เพียงพอแล้ว 8 ครั้งชาร์จสมาร์ทโฟนปกติ (ไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพ) โดยคำนึงถึงประสิทธิภาพก็จะมีอย่างน้อย 6 เท่า
อย่าลืมย่อพิน D+ และ D- ของช่องเสียบ USB เพื่อบอกโทรศัพท์ว่าเชื่อมต่อกับเครื่องชาร์จแล้ว และกระแสไฟที่โอนจะไม่จำกัด หากไม่มีเหตุการณ์นี้โทรศัพท์จะคิดว่าเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์แล้วและจะชาร์จด้วยกระแส 500 mA เป็นเวลานานมาก ยิ่งไปกว่านั้นกระแสดังกล่าวอาจไม่สามารถชดเชยการใช้โทรศัพท์ในปัจจุบันได้และแบตเตอรี่จะไม่ชาร์จเลย
คุณยังสามารถจัดเตรียมอินพุต 12V แยกต่างหากจากแบตเตอรี่รถยนต์ด้วยขั้วต่อที่จุดบุหรี่ และสลับแหล่งที่มาด้วยสวิตช์บางประเภท ฉันแนะนำให้คุณติดตั้ง LED ที่จะส่งสัญญาณว่าอุปกรณ์เปิดอยู่เพื่อไม่ให้ลืมปิดแบตเตอรี่หลังจากการชาร์จเต็ม - มิฉะนั้นการสูญเสียในตัวแปลงจะทำให้แบตเตอรี่สำรองหมดลงในสองสามวัน
แบตเตอรี่ประเภทนี้ไม่เหมาะนักเนื่องจากได้รับการออกแบบมาให้มีกระแสไฟสูง - คุณสามารถลองหาแบตเตอรี่ที่มีกระแสไฟต่ำกว่าได้ซึ่งจะมีขนาดเล็กลงและเบาลง
โคลงปัจจุบัน
การปรับกระแสไฟขาออก
มีเฉพาะรุ่นแรงดันเอาต์พุตแบบปรับได้ (LM2596ADJ) อย่างไรก็ตามชาวจีนยังสร้างบอร์ดเวอร์ชันนี้ด้วยการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสและข้อบ่งชี้ทุกชนิด - สามารถซื้อโมดูลโคลงปัจจุบันสำเร็จรูปบน LM2596 พร้อมระบบป้องกันการลัดวงจรได้ภายใต้ชื่อ xw026fr4
หากคุณไม่ต้องการใช้โมดูลสำเร็จรูปและต้องการสร้างวงจรนี้ด้วยตัวเองก็ไม่มีอะไรซับซ้อนยกเว้นข้อเดียว: ไมโครวงจรไม่มีความสามารถในการควบคุมกระแส แต่คุณสามารถเพิ่มได้ ฉันจะอธิบายวิธีการทำเช่นนี้และชี้แจงจุดยากๆ ในระหว่างทาง
แอปพลิเคชัน
โคลงในปัจจุบันเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการจ่ายไฟให้กับ LED ที่ทรงพลัง (ยังไงก็ตาม - โครงการไมโครคอนโทรลเลอร์ของฉัน ไดรเวอร์ LED กำลังสูง), เลเซอร์ไดโอด, การชุบด้วยไฟฟ้า, การชาร์จแบตเตอรี่ เช่นเดียวกับตัวปรับแรงดันไฟฟ้ามีอุปกรณ์ดังกล่าวสองประเภท - แบบเชิงเส้นและแบบพัลส์
โคลงกระแสเชิงเส้นแบบคลาสสิกคือ LM317 และค่อนข้างดีในระดับเดียวกัน - แต่กระแสสูงสุดคือ 1.5A ซึ่งไม่เพียงพอสำหรับ LED กำลังสูงจำนวนมาก แม้ว่าคุณจะจ่ายไฟให้กับโคลงนี้ด้วยทรานซิสเตอร์ภายนอก แต่การสูญเสียที่เกิดขึ้นนั้นก็ยอมรับไม่ได้ โลกทั้งโลกกำลังถกเถียงกันเรื่องการใช้พลังงานของหลอดไฟสำรอง แต่ที่นี่ LM317 ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพถึง 30% นี่ไม่ใช่วิธีการของเรา
แต่ไมโครเซอร์กิตของเราเป็นตัวขับที่สะดวกสำหรับตัวแปลงแรงดันพัลส์ที่มีโหมดการทำงานมากมาย การสูญเสียมีเพียงเล็กน้อย เนื่องจากไม่มีการใช้โหมดการทำงานเชิงเส้นของทรานซิสเตอร์ มีเพียงโหมดหลักเท่านั้น
เดิมทีมีไว้สำหรับวงจรรักษาแรงดันไฟฟ้า แต่มีองค์ประกอบหลายอย่างที่ทำให้มันกลายเป็นตัวปรับกระแสไฟ ความจริงก็คือวงจรขนาดเล็กอาศัยสัญญาณ "คำติชม" ทั้งหมดเป็นข้อเสนอแนะ แต่สิ่งที่จะป้อนนั้นขึ้นอยู่กับเรา
ในวงจรสวิตชิ่งมาตรฐาน แรงดันไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังขานี้จากตัวแบ่งแรงดันเอาต์พุตแบบต้านทาน 1.2V คือความสมดุล ถ้า Feedback น้อย ไดรเวอร์จะเพิ่มรอบการทำงานของพัลส์ ถ้ามากกว่าก็ลดลง แต่คุณสามารถใช้แรงดันไฟฟ้ากับอินพุตนี้จากการแบ่งกระแสได้!
แบ่ง
ตัวอย่างเช่นที่กระแส 3A คุณจะต้องแบ่งค่าเล็กน้อยไม่เกิน 0.1 โอห์ม ที่แนวต้านดังกล่าว กระแสนี้จะปล่อยประมาณ 1 W ซึ่งถือว่ามาก จะดีกว่าถ้าขนานสามสับเปลี่ยนดังกล่าวโดยได้รับความต้านทาน 0.033 โอห์มแรงดันตก 0.1 V และการปล่อยความร้อน 0.3 W
อย่างไรก็ตาม อินพุตป้อนกลับต้องใช้แรงดันไฟฟ้า 1.2V - และเรามีเพียง 0.1V เท่านั้น การติดตั้งความต้านทานที่สูงขึ้นนั้นไม่มีเหตุผล (ความร้อนจะถูกปล่อยออกมามากกว่า 150 เท่า) ดังนั้นสิ่งที่เหลืออยู่ก็คือการเพิ่มแรงดันไฟฟ้านี้ ทำได้โดยใช้เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน
แอมพลิฟายเออร์ op-amp แบบไม่แปลงกลับ
รูปแบบคลาสสิก อะไรจะง่ายกว่านี้?
เรารวมกัน
ตอนนี้เรารวมวงจรแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบธรรมดาและแอมพลิฟายเออร์โดยใช้ LM358 op-amp เข้ากับอินพุตที่เราเชื่อมต่อ shunt ปัจจุบัน
ตัวต้านทานที่ทรงพลัง 0.033 โอห์มเป็นแบบแบ่ง สามารถทำจากตัวต้านทาน 0.1 โอห์มสามตัวที่เชื่อมต่อแบบขนาน และเพื่อเพิ่มการกระจายพลังงานที่อนุญาต ให้ใช้ตัวต้านทาน SMD ในแพ็คเกจ 1206 วางไว้โดยมีช่องว่างเล็ก ๆ (ไม่ชิดกัน) แล้วพยายามทิ้งชั้นทองแดงไว้รอบ ๆ ให้ได้มากที่สุด ตัวต้านทานและอยู่ข้างใต้ให้ได้มากที่สุด ตัวเก็บประจุขนาดเล็กเชื่อมต่อกับเอาต์พุตป้อนกลับเพื่อกำจัดการเปลี่ยนไปใช้โหมดออสซิลเลเตอร์ที่เป็นไปได้
เราควบคุมทั้งกระแสและแรงดัน
มาเชื่อมต่อสัญญาณทั้งสองเข้ากับอินพุตป้อนกลับ - ทั้งกระแสและแรงดัน เพื่อรวมสัญญาณเหล่านี้เราจะใช้แผนภาพการเดินสายไฟตามปกติ "AND" บนไดโอด หากสัญญาณปัจจุบันสูงกว่าสัญญาณแรงดันไฟฟ้า สัญญาณนั้นจะมีอิทธิพลเหนือและในทางกลับกัน
คำไม่กี่คำเกี่ยวกับการบังคับใช้ของโครงการ
คุณไม่สามารถปรับแรงดันไฟขาออกได้ แม้ว่าจะเป็นไปไม่ได้ที่จะควบคุมทั้งกระแสไฟขาออกและแรงดันไฟฟ้าในเวลาเดียวกัน แต่ก็เป็นสัดส่วนซึ่งกันและกันโดยมีค่าสัมประสิทธิ์ "ความต้านทานโหลด" และหากแหล่งจ่ายไฟใช้สถานการณ์เช่น "แรงดันเอาต์พุตคงที่ แต่เมื่อกระแสเกิน เราก็เริ่มลดแรงดันไฟฟ้า" เช่น CC/CV เป็นที่ชาร์จอยู่แล้ว
แรงดันไฟฟ้าสูงสุดสำหรับวงจรคือ 30V เนื่องจากนี่เป็นขีดจำกัดสำหรับ LM358 คุณสามารถขยายขีดจำกัดนี้เป็น 40V (หรือ 60V สำหรับเวอร์ชัน LM2596-HV) หากคุณจ่ายไฟให้กับ op-amp จากซีเนอร์ไดโอด
ในตัวเลือกหลังจำเป็นต้องใช้ชุดไดโอดเป็นไดโอดรวมเนื่องจากไดโอดทั้งสองในนั้นถูกสร้างขึ้นภายในกระบวนการทางเทคโนโลยีเดียวกันและบนเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวกัน การแพร่กระจายของพารามิเตอร์จะน้อยกว่าการแพร่กระจายของพารามิเตอร์ของไดโอดแยกแต่ละตัวมาก - ด้วยเหตุนี้เราจึงได้รับค่าการติดตามที่มีความแม่นยำสูง
คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจอย่างระมัดระวังว่าวงจรออปแอมป์ไม่ตื่นเต้นและเข้าสู่โหมดเลเซอร์ ในการดำเนินการนี้ ให้ลองลดความยาวของตัวนำทั้งหมด และโดยเฉพาะแทร็กที่เชื่อมต่อกับพิน 2 ของ LM2596 อย่าวางออปแอมป์ไว้ใกล้แทร็กนี้ แต่วางไดโอด SS36 และตัวเก็บประจุตัวกรองไว้ใกล้กับตัว LM2596 และตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นที่ขั้นต่ำของกราวด์กราวด์เชื่อมต่อกับองค์ประกอบเหล่านี้ - จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าความยาวขั้นต่ำของ กลับเส้นทางปัจจุบัน “LM2596 -> VD/C -> LM2596”
การใช้ LM2596 ในอุปกรณ์และโครงร่างบอร์ดอิสระ
ฉันพูดโดยละเอียดเกี่ยวกับการใช้ไมโครวงจรในอุปกรณ์ของฉันซึ่งไม่อยู่ในรูปแบบของโมดูลที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว บทความอื่นซึ่งครอบคลุมถึง: การเลือกไดโอด ตัวเก็บประจุ พารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำ และยังพูดคุยเกี่ยวกับการเดินสายที่ถูกต้องและเคล็ดลับเพิ่มเติมเล็กน้อย
โอกาสในการพัฒนาต่อไป
ปรับปรุงแอนะล็อกของ LM2596
วิธีที่ง่ายที่สุดหลังจากชิปนี้คือการเปลี่ยนไปใช้ LM2678. โดยพื้นฐานแล้วนี่คือตัวแปลงสเต็ปดาวน์แบบเดียวกันเฉพาะกับทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามเท่านั้นซึ่งทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็น 92% จริงอยู่ที่ว่ามันมี 7 ขา แทนที่จะเป็น 5 ขา และไม่สามารถใช้งานร่วมกับขาต่อขาได้ อย่างไรก็ตามชิปนี้คล้ายกันมากและจะเป็นตัวเลือกที่ง่ายและสะดวกพร้อมประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
L5973D– ชิปค่อนข้างเก่า ให้กระแสสูงถึง 2.5A และมีประสิทธิภาพสูงกว่าเล็กน้อย นอกจากนี้ยังมีความถี่ในการแปลงเกือบสองเท่า (250 kHz) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีพิกัดตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ฉันเห็นว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณใส่มันเข้ากับเครือข่ายรถยนต์โดยตรง - บ่อยครั้งที่มันจะรบกวนสัญญาณรบกวน
ST1S10- ตัวแปลงสเต็ปดาวน์ DC–DC ที่มีประสิทธิภาพสูง (ประสิทธิภาพ 90%)
- ต้องใช้ส่วนประกอบภายนอก 5–6 ชิ้น
ST1S14- ตัวควบคุมไฟฟ้าแรงสูง (สูงสุด 48 โวลต์) ความถี่การทำงานสูง (850 kHz) กระแสเอาท์พุตสูงถึง 4A, เอาท์พุตกำลังดี, ประสิทธิภาพสูง (ไม่แย่กว่า 85%) และวงจรป้องกันกระแสโหลดส่วนเกินทำให้อาจเป็นตัวแปลงที่ดีที่สุดสำหรับการจ่ายไฟให้กับเซิร์ฟเวอร์จากไฟ 36 โวลต์ แหล่งที่มา.
หากต้องการประสิทธิภาพสูงสุด คุณจะต้องเปลี่ยนไปใช้คอนโทรลเลอร์ DC–DC แบบสเต็ปดาวน์ที่ไม่รวมในตัว ปัญหาเกี่ยวกับคอนโทรลเลอร์ในตัวคือพวกมันไม่เคยมีทรานซิสเตอร์กำลังเย็น - ความต้านทานของช่องสัญญาณทั่วไปจะไม่เกิน 200 mOhm อย่างไรก็ตาม หากคุณใช้คอนโทรลเลอร์ที่ไม่มีทรานซิสเตอร์ในตัว คุณสามารถเลือกทรานซิสเตอร์ใดก็ได้ แม้แต่ AUIRFS8409–7P ที่มีความต้านทานช่องสัญญาณครึ่งมิลลิโอห์ม
ตัวแปลง DC-DC พร้อมทรานซิสเตอร์ภายนอก
ส่วนถัดไป
แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุด 61 V, แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตตั้งแต่ 0.6 V, กระแสเอาต์พุตสูงสุด 4 A, ความสามารถในการซิงโครไนซ์และปรับความถี่จากภายนอก รวมถึงปรับกระแสจำกัด, ปรับเวลาสตาร์ทแบบนุ่มนวล, การป้องกันโหลดที่ครอบคลุม, ความกว้าง ช่วงอุณหภูมิการทำงาน - คุณลักษณะทั้งหมดของแหล่งจ่ายไฟสมัยใหม่สามารถทำได้โดยใช้ตัวแปลง DC/DC รุ่นใหม่ที่ผลิตโดย
ปัจจุบันช่วงของวงจรควบคุมการสลับที่ผลิตโดย STMicro (รูปที่ 1) ช่วยให้คุณสร้างแหล่งจ่ายไฟ (PS) ด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงถึง 61 V และกระแสเอาต์พุตสูงถึง 4 A
งานแปลงแรงดันไฟฟ้าไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป อุปกรณ์เฉพาะแต่ละชิ้นมีข้อกำหนดของตนเองสำหรับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า บางครั้งราคา (อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค) ขนาด (อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา) ประสิทธิภาพ (อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่) หรือแม้แต่ความเร็วของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ก็มีบทบาทสำคัญ ข้อกำหนดเหล่านี้มักขัดแย้งกัน ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าในอุดมคติและเป็นสากล
ปัจจุบันมีการใช้คอนเวอร์เตอร์หลายประเภท: เชิงเส้น (ตัวปรับแรงดันไฟฟ้า), คอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบพัลซ์, วงจรถ่ายโอนประจุ และแม้แต่แหล่งจ่ายไฟที่ใช้ฉนวนไฟฟ้า
อย่างไรก็ตาม สิ่งที่พบบ่อยที่สุดคือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นและตัวแปลง DC/DC แบบสเต็ปดาวน์ ความแตกต่างที่สำคัญในการทำงานของโครงร่างเหล่านี้เห็นได้จากชื่อ ในกรณีแรกสวิตช์ไฟจะทำงานในโหมดเชิงเส้นในโหมดที่สอง - ในโหมดคีย์ ข้อดีข้อเสียและการประยุกต์หลักของโครงร่างเหล่านี้มีดังต่อไปนี้
คุณสมบัติของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น
หลักการทำงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นเป็นที่รู้จักกันดี เครื่องกันสั่นในตัวแบบคลาสสิก μA723 ได้รับการพัฒนาย้อนกลับไปในปี 1967 โดย R. Widlar แม้ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะพัฒนาไปไกลตั้งแต่นั้นมา แต่หลักการทำงานยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเลย
วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นมาตรฐานประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานจำนวนหนึ่ง (รูปที่ 2): ทรานซิสเตอร์กำลัง VT1 แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง (VS) และวงจรป้อนกลับการชดเชยบนแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน (OPA) หน่วยงานกำกับดูแลสมัยใหม่อาจมีบล็อกการทำงานเพิ่มเติม: วงจรป้องกัน (จากความร้อนสูงเกินไป, จากกระแสเกิน), วงจรการจัดการพลังงาน ฯลฯ
หลักการทำงานของตัวกันโคลงนั้นค่อนข้างง่าย วงจรป้อนกลับบนออปแอมป์จะเปรียบเทียบค่าของแรงดันอ้างอิงกับแรงดันไฟฟ้าของตัวแบ่งเอาต์พุต R1/R2 ความไม่ตรงกันเกิดขึ้นที่เอาต์พุต op-amp ซึ่งกำหนดแรงดันไฟฟ้าเกต - ซอร์สของทรานซิสเตอร์กำลัง VT1 ทรานซิสเตอร์ทำงานในโหมดเชิงเส้น: ยิ่งแรงดันไฟฟ้าที่เอาท์พุตของ op-amp สูงเท่าไร แรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งกำเนิดก็จะยิ่งต่ำลง และความต้านทานของ VT1 ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
วงจรนี้ช่วยให้คุณสามารถชดเชยการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าทั้งหมดได้ แท้จริงแล้วสมมติว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า Uin เพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องดังต่อไปนี้: Uin เพิ่มขึ้น → Uout จะเพิ่มขึ้น → แรงดันไฟฟ้าบนตัวแบ่ง R1/R2 จะเพิ่มขึ้น → แรงดันเอาต์พุตของ op-amp จะเพิ่มขึ้น → แรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งกำเนิดจะลดลง → ความต้านทาน VT1 จะ เพิ่มขึ้น → Uout จะลดลง
เป็นผลให้เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตเปลี่ยนแปลง แรงดันเอาต์พุตจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย
เมื่อแรงดันเอาต์พุตลดลง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับของค่าแรงดันไฟฟ้า
ลักษณะการทำงานของตัวแปลง DC/DC แบบสเต็ปดาวน์
วงจรแบบง่ายของตัวแปลง DC/DC แบบ step-down แบบคลาสสิก (ตัวแปลงประเภท I, ตัวแปลงบั๊ก, ตัวแปลงแบบ step-down) ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักหลายประการ (รูปที่ 3): ทรานซิสเตอร์กำลัง VT1, วงจรควบคุม (CS), ตัวกรอง (Lph -Cph) ไดโอดย้อนกลับ VD1
ทรานซิสเตอร์ VT1 ทำงานในโหมดสวิตช์ต่างจากวงจรควบคุมเชิงเส้น
วงจรการทำงานของวงจรประกอบด้วยสองเฟส: เฟสปั๊มและเฟสปล่อย (รูปที่ 4...5)
ในขั้นตอนการสูบน้ำ ทรานซิสเตอร์ VT1 จะเปิดและกระแสไหลผ่าน (รูปที่ 4) พลังงานจะถูกเก็บไว้ในคอยล์ Lf และตัวเก็บประจุ Cf
ในระหว่างเฟสดิสชาร์จ ทรานซิสเตอร์จะปิดโดยไม่มีกระแสไหลผ่าน คอยล์ Lf ทำหน้าที่เป็นแหล่งกระแส VD1 เป็นไดโอดที่จำเป็นสำหรับกระแสย้อนกลับไหล
ในทั้งสองเฟส แรงดันไฟฟ้าเท่ากับแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุ Sph จะถูกนำไปใช้กับโหลด
วงจรข้างต้นให้การควบคุมแรงดันเอาต์พุตเมื่อระยะเวลาพัลส์เปลี่ยนแปลง:
Uout = Uin × (ti/T)
ถ้าค่าตัวเหนี่ยวนำน้อย กระแสคายประจุที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะมีเวลาถึงศูนย์ โหมดนี้เรียกว่าโหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง เป็นลักษณะการเพิ่มขึ้นของกระแสและแรงดันกระเพื่อมบนตัวเก็บประจุซึ่งทำให้คุณภาพของแรงดันไฟขาออกลดลงและเสียงรบกวนของวงจรเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงไม่ค่อยได้ใช้โหมดกระแสแบบไม่ต่อเนื่อง
มีวงจรคอนเวอร์เตอร์ประเภทหนึ่งที่ไดโอด VD1 ที่ "ไม่มีประสิทธิภาพ" ถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์นี้เปิดในแอนติเฟสด้วยทรานซิสเตอร์หลัก VT1 ตัวแปลงดังกล่าวเรียกว่าซิงโครนัสและมีประสิทธิภาพมากกว่า
ข้อดีและข้อเสียของวงจรแปลงแรงดันไฟฟ้า
หากหนึ่งในแผนการข้างต้นมีความเหนือกว่าอย่างแน่นอน แผนการที่สองก็จะถูกลืมไปอย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น ซึ่งหมายความว่าทั้งสองแผนมีข้อดีและข้อเสีย การวิเคราะห์แผนงานควรดำเนินการตามเกณฑ์ที่หลากหลาย (ตารางที่ 1)
ตารางที่ 1. ข้อดีและข้อเสียของวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า
| ลักษณะเฉพาะ | ตัวควบคุมเชิงเส้น | ตัวแปลงบั๊ก DC/DC |
| ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตทั่วไป, V | มากถึง 30 | มากถึง 100 |
| ช่วงกระแสไฟขาออกทั่วไป | หลายร้อย mA | หน่วย A |
| ประสิทธิภาพ | สั้น | สูง |
| ความแม่นยำในการตั้งค่าแรงดันเอาต์พุต | หน่วย % | หน่วย % |
| เสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าขาออก | สูง | เฉลี่ย |
| เสียงรบกวนที่เกิดขึ้น | สั้น | สูง |
| ความซับซ้อนในการใช้งานวงจร | ต่ำ | สูง |
| ความซับซ้อนของโทโพโลยี PCB | ต่ำ | สูง |
| ราคา | ต่ำ | สูง |
ลักษณะไฟฟ้า. สำหรับตัวแปลงใดๆ ลักษณะสำคัญคือประสิทธิภาพ กระแสโหลด ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต
ค่าประสิทธิภาพสำหรับตัวควบคุมเชิงเส้นต่ำและเป็นสัดส่วนผกผันกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (รูปที่ 6) นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้า "พิเศษ" ทั้งหมดตกคร่อมทรานซิสเตอร์ที่ทำงานในโหมดเชิงเส้น กำลังของทรานซิสเตอร์ถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน ประสิทธิภาพต่ำนำไปสู่ความจริงที่ว่าช่วงของแรงดันไฟฟ้าอินพุตและกระแสเอาต์พุตของตัวควบคุมเชิงเส้นนั้นค่อนข้างเล็ก: สูงถึง 30 V และสูงถึง 1 A
ประสิทธิภาพของตัวควบคุมสวิตช์จะสูงขึ้นมากและขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าน้อยลง ในขณะเดียวกันก็ไม่ใช่เรื่องแปลกสำหรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตมากกว่า 60 V และกระแสโหลดมากกว่า 1 A
หากใช้วงจรคอนเวอร์เตอร์ซิงโครนัสซึ่งแทนที่ไดโอดอิสระที่ไม่มีประสิทธิภาพด้วยทรานซิสเตอร์ประสิทธิภาพก็จะยิ่งสูงขึ้น
ความแม่นยำและเสถียรภาพของแรงดันเอาต์พุต เครื่องคงตัวเชิงเส้นสามารถมีความแม่นยำและความเสถียรของพารามิเตอร์สูงมาก (เศษส่วนของเปอร์เซ็นต์) การพึ่งพาแรงดันเอาต์พุตกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและกระแสโหลดไม่เกินสองสามเปอร์เซ็นต์
ตามหลักการทำงานตัวควบคุมพัลส์เริ่มแรกมีแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดเดียวกันกับตัวควบคุมเชิงเส้น นอกจากนี้ ค่าเบี่ยงเบนของแรงดันไฟขาออกอาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากปริมาณกระแสที่ไหล
ลักษณะเสียงรบกวน ตัวควบคุมเชิงเส้นมีการตอบสนองเสียงรบกวนปานกลาง มีตัวควบคุมความแม่นยำสัญญาณรบกวนต่ำที่ใช้ในเทคโนโลยีการวัดที่มีความแม่นยำสูง
ตัวกันโคลงของสวิตชิ่งเองก็เป็นแหล่งสัญญาณรบกวนที่ทรงพลังเนื่องจากทรานซิสเตอร์กำลังทำงานในโหมดสวิตช์ เสียงที่เกิดขึ้นแบ่งออกเป็น ดำเนินการ (ส่งผ่านสายไฟ) และอุปนัย (ส่งผ่านสื่อที่ไม่นำไฟฟ้า)
การรบกวนที่เกิดขึ้นจะถูกกำจัดโดยใช้ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน ยิ่งความถี่การทำงานของคอนเวอร์เตอร์สูงเท่าไร การกำจัดสัญญาณรบกวนก็จะยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้น ในการวัดวงจร ตัวควบคุมสวิตชิ่งมักใช้ร่วมกับตัวปรับเสถียรภาพเชิงเส้น ในกรณีนี้ระดับการรบกวนจะลดลงอย่างมาก
การกำจัดผลกระทบที่เป็นอันตรายจากการรบกวนแบบอุปนัยนั้นยากกว่ามาก เสียงนี้เกิดขึ้นในตัวเหนี่ยวนำและถูกส่งผ่านอากาศและสื่อที่ไม่นำไฟฟ้า เพื่อกำจัดพวกมันจึงใช้ตัวเหนี่ยวนำและคอยล์ที่มีฉนวนหุ้มบนแกนวงแหวน เมื่อวางกระดาน พวกเขาจะใช้การเติมดินอย่างต่อเนื่องด้วยรูปหลายเหลี่ยม และ/หรือแม้แต่เลือกชั้นดินที่แยกจากกันในกระดานหลายชั้น นอกจากนี้ตัวพัลส์คอนเวอร์เตอร์ยังอยู่ห่างจากวงจรการวัดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
ลักษณะการทำงาน. จากมุมมองของความเรียบง่ายในการใช้งานวงจรและโครงร่างแผงวงจรพิมพ์ ตัวควบคุมเชิงเส้นนั้นง่ายมาก นอกจากตัวกันโคลงในตัวแล้ว จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น
ตัวแปลงสวิตชิ่งจะต้องมีตัวกรอง LC ภายนอกเป็นอย่างน้อย ในบางกรณี จำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์กำลังภายนอกและไดโอดอิสระภายนอก สิ่งนี้นำไปสู่ความจำเป็นในการคำนวณและการสร้างแบบจำลอง และโทโพโลยีของแผงวงจรพิมพ์มีความซับซ้อนมากขึ้นอย่างมาก ความซับซ้อนเพิ่มเติมของบอร์ดเกิดขึ้นเนื่องจากข้อกำหนดของ EMC
ราคา. เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากมีส่วนประกอบภายนอกจำนวนมากตัวแปลงพัลส์จึงมีต้นทุนสูง
โดยสรุป พื้นที่ที่ได้เปรียบของการประยุกต์ใช้ตัวแปลงทั้งสองประเภทสามารถระบุได้:
- ตัวควบคุมเชิงเส้นสามารถใช้ในวงจรกำลังต่ำและแรงดันไฟฟ้าต่ำ โดยมีข้อกำหนดด้านความแม่นยำ ความเสถียร และสัญญาณรบกวนต่ำ ตัวอย่างคือวงจรการวัดและความแม่นยำ นอกจากนี้ ขนาดที่เล็กและต้นทุนต่ำของโซลูชันขั้นสุดท้ายยังเหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและอุปกรณ์ราคาประหยัดอีกด้วย
- ตัวควบคุมสวิตช์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรไฟฟ้าแรงต่ำและแรงสูงกำลังสูงในยานยนต์ อุตสาหกรรม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ประสิทธิภาพสูงมักทำให้การใช้ DC/DC ไม่ใช่ทางเลือกอื่นสำหรับอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่
บางครั้งจำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นที่แรงดันไฟฟ้าอินพุตสูง ในกรณีเช่นนี้ คุณสามารถใช้ตัวปรับความเสถียรที่ผลิตโดย STMicroelectronics ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานมากกว่า 18 V (ตารางที่ 2)
ตารางที่ 2 ตัวควบคุมเชิงเส้นของ STMicroelectronics ที่มีแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูง
| ชื่อ | คำอธิบาย | อู๋ แม็กซ์, วี | เอานาม, วี | ฉันชื่อ A | เป็นเจ้าของ ดรอป, บี |
| 35 | 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15 | 0.5 | 2 | ||
| ตัวควบคุมความแม่นยำ 500 mA | 40 | 24 | 0.5 | 2 | |
| 2 ตัวควบคุม | 35 | 0.225 | 2 | 2 | |
| , | ตัวควบคุมแบบปรับได้ | 40 | – | 0.1; 0.5; 1.5 | 2 |
| 3 ตัวควบคุม | 20 | – | 3 | 2 | |
| ตัวควบคุมความแม่นยำ 150 mA | 40 | – | 0.15 | 3 | |
| KFxx | 20 | 2.5: 8 | 0.5 | 0.4 | |
| ตัวควบคุมการตกด้วยตนเองต่ำเป็นพิเศษ | 20 | 2.7: 12 | 0.25 | 0.4 | |
| 5 ตัวควบคุมที่มีการตกคร่อมต่ำและการปรับแรงดันเอาต์พุต | 30 | – | 1.5; 3; 5 | 1.3 | |
| เล็กซ์ | ตัวควบคุมการตกด้วยตนเองต่ำเป็นพิเศษ | 20 | 3; 3.3; 4.5; 5; 8 | 0.1 | 0.2 |
| ตัวควบคุมการตกด้วยตนเองต่ำเป็นพิเศษ | 20 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.2 | |
| ตัวควบคุมการตกด้วยตนเองต่ำเป็นพิเศษ | 40 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.25 | |
| ตัวควบคุม 85 mA ที่มีการหลุดลอยในตัวเองต่ำ | 24 | 2.5: 3.3 | 0.085 | 0.5 | |
| เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าลบที่มีความแม่นยำ | -35 | -5; -8; -12; -15 | 1.5 | 1.1; 1.4 | |
| เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงลบ | -35 | -5; -8; -12; -15 | 0.1 | 1.7 | |
| เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าลบแบบปรับได้ | -40 | – | 1.5 | 2 |
หากมีการตัดสินใจสร้างแหล่งจ่ายไฟพัลซิ่ง ควรเลือกชิปคอนเวอร์เตอร์ที่เหมาะสม ทางเลือกจะคำนึงถึงพารามิเตอร์พื้นฐานจำนวนหนึ่ง
ลักษณะสำคัญของตัวแปลง DC/DC แบบพัลส์ดาวน์แบบสเต็ปดาวน์
ให้เราแสดงรายการพารามิเตอร์หลักของตัวแปลงพัลส์
ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (V) น่าเสียดายที่มีข้อ จำกัด อยู่เสมอไม่เพียง แต่สูงสุดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าขั้นต่ำด้วย ค่าของพารามิเตอร์เหล่านี้จะถูกเลือกโดยมีระยะขอบอยู่บ้างเสมอ
ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาออก (V) เนื่องจากข้อจำกัดเกี่ยวกับระยะเวลาพัลส์ขั้นต่ำและสูงสุด ช่วงของค่าแรงดันเอาต์พุตจึงมีจำกัด
กระแสไฟขาออกสูงสุด (A) พารามิเตอร์นี้ถูกจำกัดด้วยปัจจัยหลายประการ: การกระจายพลังงานสูงสุดที่อนุญาต ค่าสุดท้ายของความต้านทานของสวิตช์ไฟ ฯลฯ
ความถี่การทำงานของตัวแปลง (kHz) ยิ่งความถี่ในการแปลงสูงเท่าใด การกรองแรงดันไฟขาออกก็จะยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้น ทำให้สามารถต่อสู้กับสัญญาณรบกวนและลดค่าขององค์ประกอบตัวกรอง L-C ภายนอกซึ่งนำไปสู่การเพิ่มกระแสเอาต์พุตและลดขนาด อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความถี่ในการแปลงจะเพิ่มการสูญเสียการสลับของสวิตช์ไฟ และเพิ่มองค์ประกอบอุปนัยของการรบกวน ซึ่งไม่พึงประสงค์อย่างชัดเจน
ประสิทธิภาพ (%) เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่สำคัญ และแสดงไว้ในรูปแบบของกราฟสำหรับแรงดันและกระแสต่างๆ
พารามิเตอร์ที่เหลือ (ความต้านทานช่องของสวิตช์ไฟในตัว (mOhm) การใช้กระแสไฟเอง (µA) ความต้านทานความร้อนของตัวเรือน ฯลฯ ) มีความสำคัญน้อยกว่า แต่ควรคำนึงถึงพารามิเตอร์เหล่านั้นด้วย
คอนเวอร์เตอร์ใหม่จาก STMicroelectronics มีแรงดันไฟฟ้าอินพุตและประสิทธิภาพสูง และสามารถคำนวณพารามิเตอร์ได้โดยใช้ซอฟต์แวร์ eDesignSuite ฟรี
เส้นพัลซิ่ง DC/DC จาก ST Microelectronics
กลุ่มผลิตภัณฑ์ DC/DC ของ STMicroelectronics กำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง วงจรไมโครคอนเวอร์เตอร์ใหม่มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตขยายสูงสุด 61 V ( / / ) กระแสเอาต์พุตสูง แรงดันเอาต์พุตจาก 0.6 V ( / / ) (ตารางที่ 3)
ตารางที่ 3 DC/DC STMicroelectronics ใหม่
| ลักษณะเฉพาะ | ชื่อ | |||||||
| L7987; L7987L | ||||||||
| กรอบ | VFQFPN-10L | HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8 | HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8 | HTSSOP16 | VFQFPN-10L; สสส.8 | VFQFPN-10L; สสส.8 | สสส.8 | HTSSOP 16 |
| แรงดันไฟฟ้าขาเข้า Uin, V | 4.0…18 | 4.0…18 | 4.0…18 | 4…38 | 4.5…38 | 4.5…38 | 4.5…38 | 4.5…61 |
| กระแสไฟขาออก, A | 4 | 3 | 4 | 2 | 2 | 3 | 3 | 2 (L7987L); 3 (L7987) |
| ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาออก, V | 0.8…0.88×อินทร์ | 0.8…อูอิน | 0.8…อูอิน | 0.85…อูอิน | 0.6…อูอิน | 0.6…อูอิน | 0.6…อูอิน | 0.8…อูอิน |
| ความถี่ในการทำงาน, กิโลเฮิร์ตซ์ | 500 | 850 | 850 | 250…2000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1500 |
| การซิงโครไนซ์ความถี่ภายนอก (สูงสุด), kHz | เลขที่ | เลขที่ | เลขที่ | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1500 |
| ฟังก์ชั่น | เริ่มต้นได้อย่างราบรื่น การป้องกันกระแสเกิน; การป้องกันความร้อนมากเกินไป | |||||||
| ฟังก์ชั่นเพิ่มเติม | เปิดใช้งาน; พีกู๊ด | เปิดใช้งาน | แอลเอ็นเอ็ม; ลค.; ยับยั้ง; การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน | เปิดใช้งาน | พีกู๊ด; ป้องกันแรงดันไฟฟ้าตก การปรับกระแสไฟตัด | |||
| ช่วงอุณหภูมิการทำงานของคริสตัล°C | -40…150 | |||||||
วงจรไมโครพัลส์คอนเวอร์เตอร์ใหม่ทั้งหมดมีฟังก์ชันการสตาร์ทแบบนุ่มนวล กระแสไฟเกิน และความร้อนสูงเกินไป
นี่คือตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า DC-DC ที่มีอินพุต 5-13 V เป็นเอาต์พุต 12 V DC 1.5 A คอนเวอร์เตอร์ได้รับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าและให้เอาต์พุตที่สูงกว่าเพื่อใช้เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 12 โวลต์ที่ต้องการ มักใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่มีอยู่ นี่คือตัวแปลง DC-DC ในตัวโดยพื้นฐานแล้ว ตัวอย่างเช่น มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 3.7V และสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าได้โดยใช้วงจรนี้เพื่อให้จ่ายไฟ 12V ที่ 1.5A ที่ต้องการ
ตัวแปลงนั้นง่ายต่อการสร้างด้วยตัวเอง ส่วนประกอบหลักคือ MC34063 ซึ่งประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง (ชดเชยอุณหภูมิ) ตัวเปรียบเทียบ ออสซิลเลเตอร์ที่มีวงจรจำกัดกระแสพีคที่ใช้งานอยู่ ประตู AND ฟลิปฟล็อป และสวิตช์เอาท์พุตกำลังสูงพร้อมไดรเวอร์และเท่านั้น จำเป็นต้องมีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมสองสามชิ้นในชุดสายรัดเพื่อให้พร้อมใช้งาน ชิปซีรีส์นี้ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อรวมไว้ในตัวแปลงต่างๆ
ข้อดีของชิป MC34063A
- การทำงานจากอินพุต 3 ถึง 40 V
- กระแสไฟสแตนด์บายต่ำ
- ขีดจำกัดปัจจุบัน
- กระแสไฟขาออกสูงสุด 1.5 A
- ปรับแรงดันไฟขาออกได้
- การทำงานในช่วงความถี่สูงถึง 100 kHz
- ความแม่นยำ 2%
คำอธิบายของธาตุกัมมันตภาพรังสี
- ร- ตัวต้านทานทั้งหมด 0.25 W.
- ต- ทรานซิสเตอร์กำลัง TIP31-NPN กระแสไฟขาออกทั้งหมดจะไหลผ่าน
- L1- คอยล์เฟอร์ไรต์ 100 µH หากคุณต้องทำด้วยตัวเองคุณต้องซื้อวงแหวนเฟอร์ไรต์แบบทอรอยด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 20 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 10 มม. สูง 10 มม. และลวดหนา 1 - 1.5 มม. 0.5 เมตรและทำ 5 รอบที่ ระยะทางเท่ากัน ขนาดของวงแหวนเฟอร์ไรต์ไม่สำคัญเกินไป ยอมรับความแตกต่างเล็กน้อย (1-3 มม.) ได้
- ดี- ต้องใช้ไดโอด Schottky
- ต.ร- ตัวต้านทานปรับค่าได้หลายรอบ ซึ่งใช้ที่นี่เพื่อปรับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต 12 V อย่างละเอียด
- ค- C1 และ C3 เป็นตัวเก็บประจุแบบโพลาไรซ์ ดังนั้นควรคำนึงถึงสิ่งนี้เมื่อวางไว้บน PCB
รายการชิ้นส่วนที่จะประกอบ
- ตัวต้านทาน: R1 = 0.22 โอห์ม x1, R2 = 180 โอห์ม x1, R3 = 1.5K x1, R4 = 12K x1
- ตัวควบคุม: TR1 = 1 kOhm, หลายรอบ
- ทรานซิสเตอร์: T1 = TIP31A หรือ TIP31C
- สำลัก: L1 = 100 µH บนวงแหวนเฟอร์ไรต์
- ไดโอด: D1 - Schottky 1N5821 (21V - 3A), 1N5822 (28V - 3A) หรือ MBR340 (40V - 3A)
- ตัวเก็บประจุ: C1 = 100 uF / 25V, C2 = 0.001 uF, C3 = 2200 uF / 25V
- ชิป: MC34063
- พีซีบี 55 x 40 มม
โปรดทราบว่าจำเป็นต้องติดตั้งฮีทซิงค์อะลูมิเนียมขนาดเล็กบนทรานซิสเตอร์ T1 - TIP31 ไม่เช่นนั้นทรานซิสเตอร์นี้อาจได้รับความเสียหายเนื่องจากความร้อนที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะที่กระแสโหลดสูง เอกสารข้อมูลและการเขียนแบบ PCB
