Hoe een push-pull-converter te ontwerpen - basistheorie, constructie en demonstratie

Als het gaat om het werken met vermogenselektronica, wordt een DC-DC-omzettertopologie erg cruciaal voor praktische ontwerpen. Er zijn hoofdzakelijk twee soorten belangrijke DC-DC-conversietopologieën beschikbaar in vermogenselektronica, namelijk de schakelomvormer en de lineaire omzetter.

Uit de wet van behoud van energie weten we nu dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden getransformeerd. Hetzelfde geldt voor het schakelen van regelaars, het uitgangsvermogen (wattage) van elke converter is het product van spanning en stroom, een DC-DC-omzetter zet idealiter de spanning om, of de stroom terwijl het wattage constant is. Een voorbeeld zou de situatie kunnen zijn waarin een 5V-uitgang 2A stroom zou kunnen leveren. Eerder hebben we een 5V, 2A SMPS Circuit ontworpen, kijk of dat iets is wat je zoekt.

Overweeg nu een situatie waarin we het moeten veranderen in een 10V-uitgang voor een specifieke toepassing. Als nu een DC-DC-omzetter op deze plaats wordt gebruikt en de 5V 2A die 10W-uitvoer is constant is, zal de DC-DC-omzetter idealiter de spanning omzetten naar een 10V met een stroomsterkte van 1A. Dit kan worden gedaan met behulp van een boost-schakeltopologie waarbij een schakelende inductor constant wordt geschakeld.

Een andere kostbare maar nuttige methode is het gebruik van een push-pull-converter. Een push-pull-converter biedt veel conversiemogelijkheden, zoals Buck, Boost, Buck-Boost, geïsoleerde of zelfs niet-geïsoleerde topologieën, het is ook een van de oudste schakeltopologieën die worden gebruikt in vermogenselektronica waarvoor minimale componenten nodig zijn om te produceren gemiddelde vermogensuitgangen (typisch - 150W tot 500W) met meerdere uitgangsspanning. Men moet de transformatorwikkeling veranderen om de uitgangsspanning in een geïsoleerd push-pull-omzetcircuit te veranderen.

Al deze functies roepen echter veel vragen op in onze gedachten. Zoals, hoe werkt een Push-pull-converter? Welke componenten zijn belangrijk om een ​​push-pull-convertercircuit te bouwen? Dus lees verder en we zullen alle noodzakelijke antwoorden ontdekken en uiteindelijk zullen we een praktisch circuit bouwen voor demonstratie en testen, dus laten we er meteen op ingaan.

Constructie van een Push-Pull Converter

De naam heeft het antwoord. Push en Pull hebben twee tegengestelde betekenissen van hetzelfde. Wat is de betekenis van Push-Pull in lekentaal? Het woordenboek zegt dat het woord duwen betekent om vooruit te gaan door met geweld mensen of voorwerpen te passeren om opzij te bewegen. In een push-pull DC-DC-omzetter definieert de push het duwen van de stroom of het voeden van de stroom. Nu, wat betekent trekken? Nogmaals, het woordenboek zegt om kracht uit te oefenen op iemand of iets om beweging naar jezelf toe te brengen. Bij de push-pull converter is het weer de stroom die wordt getrokken.

Een push-pull-omzetter is dus een type schakelomvormer waarbij stromen constant ergens in worden geduwd en constant ergens uit worden getrokken. Dit is een soort flyback-transformator of een inductor. De stroom wordt constant geduwd en getrokken uit de transformator. Met behulp van deze push-pull-methode draagt ​​de transformator flux over naar de secundaire spoel en levert een soort geïsoleerde spanning.

Omdat dit een soort schakelende regelaar is, ook omdat de transformator zo geschakeld moet worden dat de stroom synchroon moet worden geduwd en getrokken, daarvoor hebben we een soort schakelregelaar nodig. Hier is een asynchrone push-pull-driver vereist. Nu is het duidelijk dat de schakelaars zijn gemaakt met verschillende soorten transistors of mosfets.

Er zijn veel push-pull-stuurprogramma's beschikbaar op de elektronicamarkt die onmiddellijk kunnen worden gebruikt voor push-pull-gespreksgerelateerd werk.

Enkele van dergelijke driver-IC's zijn te vinden in de onderstaande lijst-

1. LT3999
2. MAX258
3. MAX13253
4. LT3439
5. TL494

Hoe werkt een push-pull-converter?

Om het werkingsprincipe van de push-pull-omzetter te begrijpen, hebben we een basiscircuit getekend dat een basis- half-bridge push-pull-omzetter is, en die hieronder wordt weergegeven, voor de eenvoud, hebben we de half-bridge-topologie behandeld, maar er is nog een andere algemene topologie beschikbaar, en die staat bekend als een full-bridge push-pull-omzetter.

Twee NPN-transistors maken push-pull-functionaliteit mogelijk. De twee transistors Q1 en Q2 kunnen niet tegelijkertijd worden ingeschakeld. Als de Q1 is ingeschakeld, blijft de Q2 uitgeschakeld, als de Q1 is uitgeschakeld, wordt de Q2 ingeschakeld. Het zal opeenvolgend gebeuren en zal doorgaan als een lus.

Zoals we kunnen zien, gebruikt het bovenstaande circuit een transformator, dit is een geïsoleerde push-pull-omzetter.

De bovenstaande afbeelding toont de status waarin de Q1 is ingeschakeld en de Q2 wordt uitgeschakeld. De stroom zal dus door de centrale aftakking van de transformator stromen en via de transistor Q1 naar de aarde gaan, terwijl de Q2 de stroom op de andere aftakking van de transformator blokkeert. Precies het tegenovergestelde gebeurt wanneer de Q2 wordt ingeschakeld en Q1 uitgeschakeld blijft. Telkens wanneer de veranderingen in de stroom optreden, draagt ​​de transformator de energie over van de primaire zijde naar de secundaire zijde.

De bovenstaande grafiek is erg handig om te controleren hoe dit gebeurt, in het begin waren er geen spanningen of stroom in het circuit. Q1 ingeschakeld, een constante spanning slaat eerst op de kraan omdat het circuit nu gesloten is. De stroom begint toe te nemen en vervolgens wordt de spanning naar de secundaire zijde geïnduceerd.

In de volgende fase, na een tijdvertraging, wordt de transistor Q1 uitgeschakeld en wordt Q2 ingeschakeld. Hier komen een paar belangrijke dingen aan het werk: de parasitaire capaciteit van de transformator en de inductantie vormen een LC-circuit dat begint te schakelen in tegengestelde polariteit. De lading begint terug te stromen in de tegenovergestelde richting door de andere tapwikkeling van de transformator. Op deze manier wordt de stroom constant in afwisselende modi geduwd door die twee transistors. Omdat het trekken echter wordt gedaan door het LC-circuit en de middenaftakking van de transformator, wordt dit push-pull-topologie genoemd. Vaak wordt het zo beschreven dat de twee transistors afwisselend de stroom duwen, waarbij de conventie push-pull wordt genoemd, waarbij transistors de stroom niet trekken. De belastingsgolfvorm lijkt op de zaagtand, maar dat wordt niet weergegeven in de bovenstaande golfvorm.

Omdat we hebben geleerd hoe een push-pull-omzetterontwerp werkt, gaan we verder met het bouwen van een echt circuit ervoor, en dan kunnen we dat op de bank analyseren. Maar laten we eerst eens kijken naar het schema.

Componenten die nodig zijn om een ​​praktische Push Pull Converter te bouwen

Welnu, het onderstaande circuit is gebouwd op een breadboard. De componenten die worden gebruikt voor het testen van circuits zijn als volgt:

1. 2 stuks smoorspoelen met dezelfde classificatie - 220uH 5A ringkerninductor.
2. 0.1uF polyester filmcondensator - 2 st
3. 1k weerstand 1% - 2 st
4. ULN2003 Darlington-paartransistor
5. 100uF 50V condensator

Een praktisch schakelschema van de push-pull-omzetter

Het schema is vrij eenvoudig. Laten we de verbinding analyseren, de ULN2003 is de Darlington-paartransistorarray. Deze transistor-array is handig omdat de vrijloopdiodes beschikbaar zijn in de chipset en er geen extra componenten nodig zijn, waardoor extra complexe routing op een breadboard wordt vermeden. Voor de synchrone driver gebruiken we een eenvoudige RC-timer die de transistors synchroon in- en uitschakelt om een ​​push-pull-effect over de inductoren te creëren.

Praktische push-pull-converter - werkt

De werking van het circuit is eenvoudig. Laten we het Darlington-paar verwijderen en het circuit eenvoudig maken met behulp van twee transistors Q1 en Q2.

De RC-netwerken zijn kruiselings verbonden met de basis van Q1 en Q2, die de alternatieve transistors inschakelen met behulp van een feedbacktechniek die regeneratieve feedback wordt genoemd.

Het begint als volgt te werken: wanneer we spanning zetten op de middenaftakking van de transformator (waar de gemeenschappelijke verbinding tussen twee inductoren is), zal de stroom door de transformator stromen. Afhankelijk van de fluxdichtheid en verzadiging van de polariteit, negatief of positief, laadt de stroom eerst C1 en R1 op of C2 en R2, niet beide. Laten we ons voorstellen dat C1 en R1 als eerste de huidige krijgen. De C1 en R1 bieden een timer die de transistor Q2 inschakelt. Het L2-gedeelte van de transformator zal spanning opwekken met behulp van de magnetische flux. In deze situatie beginnen de C2 en R2 op te laden en wordt de Q1 ingeschakeld. Het L1-gedeelte van de transformator wekt dan een spanning op. De timing of de frequentie is volledig afhankelijk van de ingangsspanning, de verzadigde flux van de transformator of inductor, de primaire windingen, het vierkante centimeter oppervlak van de kern.De formule van de frequentie is-

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

Waar Vin de ingangsspanning is, is 10 ⁸ een constante waarde, β _s is de verzadigde fluxdichtheid van de kern die op de transformator zal worden weerspiegeld, A is het dwarsdoorsnedegebied en N is het aantal windingen.

Testen van het push-pull-convertercircuit

Voor het testen van de schakeling zijn de volgende gereedschappen nodig:

1. Twee millimeter - een voor het controleren van de ingangsspanning en een andere voor de uitgangsspanning
2. Een oscilloscoop
3. Een bankvoeding.

Het circuit is opgebouwd in een breadboard en het vermogen wordt langzaam opgevoerd. De ingangsspanning is 2,16 V terwijl de uitgangsspanning 8,12 V is, wat bijna vier keer de ingangsspanning is.

Dit circuit gebruikt echter geen feedbacktopologie, dus de uitgangsspanning is niet constant en ook niet geïsoleerd.

De frequentie en het schakelen van de push-pull wordt waargenomen in de oscilloscoop-

Het circuit werkt nu dus als een push-pull boost-omzetter waarbij de uitgangsspanning niet constant is. Verwacht wordt dat deze push-pull-converter een wattage tot 2W kan leveren, maar we hebben het niet getest vanwege het gebrek aan feedbackgeneratie.

Conclusies

Dit circuit is een eenvoudige vorm van de push-pull-omzetter. Het is echter altijd aan te raden om een ​​goede push-pull driver IC te gebruiken voor de gewenste output. Het circuit kan worden geconstrueerd op een manier waar geïsoleerd of niet-geïsoleerd, alle topologieën in push-pull-conversie kunnen worden gebouwd.

Het onderstaande circuit is een goed circuit van een gecontroleerde push-pull DC naar DC-omzetter. Het is een 1: 1 push-pull-converter die LT3999 gebruikt voor analoge apparaten (lineaire technologieën).

Ik hoop dat je het artikel leuk vond en iets nieuws hebt geleerd als je vragen hebt over dit onderwerp, plaats dan hieronder een opmerking, of je kunt je vraag rechtstreeks op ons forum posten.