Ako navrhnúť prevodník push-pull - základná teória, konštrukcia a demonštrácia

Pokiaľ ide o prácu s výkonovou elektronikou, pre praktické návrhy sa stáva veľmi dôležitá topológia DC-DC prevodníka. V silovej elektronike sú k dispozícii hlavne dva typy hlavných topológií konverzie DC-DC, a to spínací prevodník a lineárny prevodník.

Teraz zo zákona zachovania energie vieme, že energiu nemožno vytvoriť ani zničiť, ale iba ju je možné transformovať. To isté platí pre spínacie regulátory, výstupný výkon (príkon) ľubovoľného prevodníka je výsledkom napätia a prúdu, prevodník DC-DC ideálne konvertuje napätie alebo prúd pri konštantnom príkone. Príkladom môže byť situácia, keď výstup 5V môže poskytnúť prúd 2A. Predtým sme navrhli obvod 5V, 2A SMPS, ktorý môžete skontrolovať, či to je to, čo hľadáte.

Teraz uvažujme o situácii, keď ho musíme zmeniť na výstup 10V pre konkrétnu aplikáciu. Teraz, ak sa na tomto mieste používa prevodník DC-DC a výstup 5V 2A, ktorý má 10W, je konštantný, ideálne prevedie prevodník DC-DC napätie na 10V s prúdovým prúdom 1A. To je možné dosiahnuť pomocou topológie prepínania zosilnenia, pri ktorej je spínací induktor neustále spínaný.

Ďalšou nákladnou, ale užitočnou metódou je použitie prevodníka typu push-pull. Prevodník push-pull otvára veľa možností konverzie, ako napríklad Buck, Boost, Buck-Boost, izolované alebo dokonca neizolované topológie, tiež je to jedna z najstarších spínacích topológií používaných v výkonovej elektronike, ktorá na výrobu vyžaduje minimálne komponenty stredné výkony (typicky - 150 W až 500 W) s viacnásobným výstupným napätím. Je potrebné zmeniť vinutie transformátora na zmenu výstupného napätia v izolovanom obvode prevodníka push-pull.

Všetky tieto vlastnosti nám však kladú do pamäti veľa otázok. Ako, ako funguje prevodník Push-Pull? Aké komponenty sú dôležité na zostavenie obvodu prevodníka push-pull? Čítajte teda ďalej a dozvieme sa všetky potrebné odpovede a nakoniec postavíme praktický obvod pre demonštráciu a testovanie, takže poďme priamo do toho.

Konštrukcia prevodníka Push-Pull

Meno má odpoveď. Push a Pull majú dva opačné významy toho istého. Čo znamená laicky povedané Push-Pull? Slovník hovorí, že slovo tlačiť znamená posúvať sa vpred pomocou sily, aby sa ľudia alebo predmety vzdialili nabok. V prevodníku DC-DC typu push-pull je definovaný tlak ako tlačenie alebo napájanie prúdu. Čo znamená ťahanie? Slovník opäť hovorí, aby vyvinul na niekoho alebo niečo silu, aby spôsobil pohyb sám k sebe. V prevodníku push-pull je to opäť prúd, ktorý sa tiahne.

Prevodník typu push-pull je teda typom spínacieho prevodníka, pri ktorom sú prúdy neustále do niečoho tlačené a neustále z niečoho vyťahované. Toto je typ spätného transformátora alebo tlmivky. Prúd je neustále tlačený a ťahaný z transformátora. Pomocou tejto metódy push-pull transformátor prenáša tok na sekundárnu cievku a poskytuje určitý druh izolovaného napätia.

Teraz, keďže ide o typ spínacieho regulátora, je tiež potrebné transformátor prepínať tak, aby bolo potrebné prúd tlačiť a ťahať synchrónne, preto potrebujeme nejaký spínací regulátor. Tu je potrebný asynchrónny ovládač push-pull. Teraz je zrejmé, že prepínače sa vyrábajú s rôznymi typmi tranzistorov alebo mosfetov.

Na trhu s elektronikou je k dispozícii veľa ovládačov push-pull, ktoré je možné okamžite použiť na prácu súvisiacu s push-pull konverzáciami.

Niekoľko takýchto integrovaných obvodov ovládačov nájdete v zozname nižšie -

LT3999
MAX258
MAX13253
LT3439
TL494

Ako funguje prevodník Push Pull?

Aby sme pochopili princíp fungovania prevodníka push-pull, nakreslili sme základný obvod, ktorý je základným prevodníkom push-pull s polovičným mostíkom, a pre zjednodušenie sme nižšie uviedli jeho topológiu, ale je k dispozícii iná bežná topológia, ktorá je známa ako prevodník typu push-pull s úplným mostom.

Dva NPN tranzistory umožnia funkčnosť push-pull. Dva tranzistory Q1 a Q2 nie je možné zapnúť súčasne. Keď je Q1 zapnutá, Q2 zostane vypnutá, keď je Q1 vypnutá, Q2 sa zapne. Stane sa to postupne a bude to pokračovať ako slučka.

Ako vidíme, vyššie uvedený obvod používa transformátor, ide o izolovaný prevodník push-pull.

Obrázok vyššie zobrazuje stav, v ktorom je Q1 zapnutá a Q2 vypnutá. Takže prúd bude tiecť stredovým odbočkom transformátora a pôjde k zemi cez tranzistor Q1, zatiaľ čo Q2 bude blokovať prúdový tok na druhom odbočke transformátora. Presne opačná vec sa stane, keď sa Q2 zapne a Q1 zostane vypnutá. Kedykoľvek dôjde k zmenám v prúdovom prúde, transformátor prenáša energiu z primárnej strany na sekundárnu stranu.

Vyššie uvedený graf je veľmi užitočný na kontrolu toho, ako sa to deje. Spočiatku v obvode nebolo žiadne napätie ani prúd. Q1 zapnutý, konštantné napätie najskôr zasiahne odbočku, pretože obvod je teraz uzavretý. Prúd sa začína zvyšovať a potom sa na sekundárnu stranu indukuje napätie.

V nasledujúcej fáze sa po časovom oneskorení tranzistor Q1 vypne a Q2 sa zapne. Prichádza niekoľko dôležitých vecí - parazitická kapacita transformátora a indukčnosť tvoria obvod LC, ktorý sa začína prepínať s opačnou polaritou. Náboj začne tiecť späť v opačnom smere cez druhé vinutie transformátora. Týmto spôsobom je prúd týmito dvoma tranzistormi neustále tlačený v alternatívnych režimoch. Pretože sa však ťahanie vykonáva pomocou LC obvodu a stredového odbočky transformátora, nazýva sa to push-pull topológia. Často je to opísané tak, že dva tranzistory tlačia prúd striedavo a pomenujú konvenciu push-pull, kde tranzistory neťahajú prúd. Tvar záťaže vyzerá ako pílkovité zuby, nie je to však tak, ako je to znázornené vo vyššie uvedenom tvare vlny.

Ako sme sa naučili, ako funguje návrh prevodníka push-pull, prejdime k vytvoreniu skutočného obvodu pre tento obvod a potom ho môžeme analyzovať na skúšobnej stolici. Ale predtým sa pozrime na schému.

Komponenty potrebné na zostavenie praktického prevodníka push-pull

Nižšie uvedený obvod je postavený na doske. Komponenty používané na testovanie obvodov sú nasledujúce -

2 ks tlmivky rovnakého výkonu - toroidný tlmivka 220uH 5A.
Kondenzátor z polyesterovej fólie 0,1 uF - 2 ks
1k rezistor 1% - 2 ks
ULN2003 Darlingtonov párový tranzistor
100uF 50V kondenzátor

Praktická schéma zapojenia prevodníka Push-Pull

Schéma je celkom jednoduchá. Poďme analyzovať spojenie, ULN2003 je Darlingtonovo párové tranzistorové pole. Toto tranzistorové pole je užitočné, pretože vo vnútri čipovej sady sú k dispozícii voľnobežné diódy a nevyžaduje žiadne ďalšie komponenty, čím sa zabráni ďalšiemu zložitému smerovaniu na nepájivom poli. Pre synchrónny budič používame jednoduchý RC časovač, ktorý synchrónne zapína a vypína tranzistory, aby vytvoril efekt push-pull cez induktory.

Praktický prevodník Push-Pull - funkčný

Fungovanie obvodu je jednoduché. Poďme odstrániť Darlingtonov pár a zjednodušiť obvod pomocou dvoch tranzistorov Q1 a Q2.

RC siete sú spojené v krížovej polohe so základňou Q1 a Q2, ktoré zapínajú alternatívne tranzistory pomocou techniky spätnej väzby, ktorá sa nazýva regeneračná spätná väzba.

Začína to fungovať takto - Keď na stredový odbočku transformátora (kde je spoločné spojenie medzi dvoma tlmivkami) priložíme napätie, bude cez transformátor tiecť prúd. V závislosti od hustoty toku a nasýtenia polarity, negatívnej alebo pozitívnej, sa prúd najskôr nabíja C1 a R1 alebo C2 a R2, nie obidve. Poďme si predstaviť, že C1 a R1 dostanú najskôr prúd. C1 a R1 poskytujú časovač, ktorý zapína tranzistor Q2. Sekcia L2 transformátora indukuje napätie pomocou magnetického toku. V tejto situácii sa C2 a R2 začnú nabíjať a zapínajú Q1. Sekcia L1 transformátora potom indukuje napätie. Načasovanie alebo frekvencia úplne závisia od vstupného napätia, nasýteného toku transformátora alebo induktora, primárnych závitov, plochy prierezu štvorcového centimetra.Vzorec frekvencie je-

f = (V _v * ¹⁰⁸) / (4 * β _s * A * N)

Kde Vin je vstupné napätie, ¹⁰⁸ je konštantná hodnota, β _s je hustota nasýteného toku jadra, ktorá sa odrazí na transformátore, A je plocha prierezu a N je počet závitov.

Testovanie obvodu prevodníka push-pull

Na testovanie obvodu sú potrebné nasledujúce nástroje -

Dva milimetre - jeden na kontrolu vstupného napätia a druhý na výstupné napätie
Osciloskop
Stolný napájací zdroj.

Obvod je skonštruovaný v doskovom poli a výkon sa pomaly zvyšuje. Vstupné napätie je 2,16 V, zatiaľ čo výstupné napätie je 8,12 V, čo je takmer štvornásobok vstupného napätia.

Tento obvod však nepoužíva žiadnu topológiu spätnej väzby, takže výstupné napätie nie je konštantné a ani izolované.

Frekvencia a prepínanie push-pull sa sleduje v osciloskope

Takže obvod teraz funguje ako zosilňovač push-pull, kde výstupné napätie nie je konštantné. Očakáva sa, že tento push-pull prevodník by mohol poskytnúť príkon až 2W, ale kvôli nedostatku generovania spätnej väzby sme ho netestovali.

Závery

Tento obvod je jednoduchou formou prevodníka push-pull. Pre požadovaný výstup sa však vždy odporúča použiť správny integrovaný obvod ovládača push-pull. Obvod môže byť konštruovaný spôsobom, kde je možné izolovať alebo neizolovať akékoľvek topológie v konverzii typu push-pull.

Nižšie uvedený obvod je správnym obvodom riadeného push-pull prevodníka DC na DC. Jedná sa o prevodník typu 1: 1 push-pull využívajúci LT3999 pre Analog Devices (Linear Technologies).

Dúfam, že sa vám článok páčil a dozvedeli ste sa niečo nové, ak máte akékoľvek otázky týkajúce sa tejto témy, vložte komentár dole alebo môžete zverejniť svoju otázku priamo na našom fóre.