Come progettare un convertitore push pull: teoria di base, costruzione e dimostrazione

Quando si tratta di lavorare con l'elettronica di potenza, una topologia di convertitore CC-CC diventa molto cruciale per i progetti pratici. Esistono principalmente due tipi di principali topologie di conversione CC-CC disponibili nell'elettronica di potenza, vale a dire il convertitore a commutazione e il convertitore lineare.

Ora dalla legge di conservazione dell'energia, sappiamo che l'energia non può essere creata né distrutta, ma può solo essere trasformata. Lo stesso vale per i regolatori a commutazione, la potenza di uscita (wattaggio) di qualsiasi convertitore è il prodotto di tensione e corrente, un convertitore CC-CC converte idealmente la tensione o la corrente mentre il wattaggio è costante. Un esempio potrebbe essere la situazione in cui un'uscita a 5V potrebbe fornire 2A di corrente. In precedenza abbiamo progettato un circuito SMPS da 5 V, 2 A, puoi verificarlo se è qualcosa che stai cercando.

Consideriamo ora una situazione in cui dobbiamo cambiarlo in un'uscita a 10 V per un'applicazione specifica. Ora, se in questo punto viene utilizzato un convertitore CC-CC e l'uscita 5V 2A che è 10W è costante, idealmente il convertitore CC-CC convertirà la tensione in 10 V con una corrente nominale di 1 A. Questo può essere fatto utilizzando una topologia di commutazione boost in cui un induttore di commutazione viene costantemente commutato.

Un altro metodo costoso ma utile consiste nell'utilizzare un convertitore push-pull. Un convertitore push-pull apre molte possibilità di conversione, come Buck, Boost, Buck-Boost, topologie isolate o anche non isolate, inoltre è una delle topologie di commutazione più antiche utilizzate nell'elettronica di potenza che richiede componenti minimi per la produzione uscite di media potenza (tipicamente da - 150 W a 500 W) con più tensioni di uscita. È necessario modificare l'avvolgimento del trasformatore per modificare la tensione di uscita in un circuito convertitore push-pull isolato.

Tuttavia, tutte queste caratteristiche fanno sorgere molte domande nella nostra mente. Ad esempio, come funziona un convertitore push-pull? Quali componenti sono importanti per costruire un circuito convertitore push-pull? Quindi, continua a leggere e troveremo tutte le risposte necessarie e alla fine costruiremo un circuito pratico per la dimostrazione e il test, quindi entriamo subito.

Costruzione di un convertitore push-pull

Il nome ha la risposta. Push e Pull hanno due significati opposti della stessa cosa. Qual è il significato di Push-Pull in parole povere? Il dizionario dice che la parola spingere significa andare avanti usando la forza per passare persone o oggetti per spostarsi da parte. In un convertitore CC-CC push-pull, il push definisce la spinta della corrente o l'alimentazione della corrente. Ora, cosa significa tirare? Ancora una volta, il dizionario dice di esercitare forza su qualcuno o qualcosa per provocare un movimento verso se stessi. Nel convertitore push-pull, è ancora la corrente che viene tirata.

Pertanto, un convertitore push-pull è un tipo di convertitore a commutazione in cui le correnti vengono costantemente spinte in qualcosa e costantemente tirate da qualcosa. Questo è un tipo di trasformatore flyback o induttore. La corrente viene costantemente spinta e tirata dal trasformatore. Utilizzando questo metodo push-pull, il trasformatore trasferisce il flusso alla bobina secondaria e fornisce una sorta di tensione isolata.

Ora, poiché questo è un tipo di regolatore di commutazione, anche perché il trasformatore deve essere commutato in modo tale che la corrente debba essere spinta e tirata in modo sincrono, per questo abbiamo bisogno di una sorta di regolatore di commutazione. Qui è richiesto un driver push-pull asincrono. Ora, è ovvio che gli interruttori sono realizzati con diversi tipi di transistor o Mosfet.

Ci sono molti driver push-pull disponibili nel mercato dell'elettronica che possono essere utilizzati immediatamente per il lavoro relativo alla conversazione push-pull.

Pochi di questi driver IC possono essere trovati nell'elenco seguente-

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

Come funziona un convertitore push-pull?

Per comprendere il principio di funzionamento del convertitore push-pull, abbiamo disegnato un circuito di base che è un convertitore push-pull a mezzo ponte di base , e come mostrato di seguito, per semplicità, abbiamo coperto la topologia a mezzo ponte, ma è disponibile un'altra topologia comune, nota come convertitore push-pull full bridge.

Due transistor NPN consentiranno la funzionalità push-pull. I due transistor Q1 e Q2 non possono essere accesi contemporaneamente. Quando il Q1 è acceso, il Q2 rimarrà spento, quando il Q1 è spento, il Q2 si accenderà. Accadrà in sequenza e continuerà come un ciclo.

Come possiamo vedere, il circuito sopra utilizza un trasformatore, questo è un convertitore push-pull isolato.

L'immagine sopra mostra lo stato in cui il Q1 è acceso e il Q2 si spegnerà. Quindi la corrente scorrerà attraverso il rubinetto centrale del trasformatore e andrà a terra tramite il transistor Q1 mentre il Q2 bloccherà il flusso di corrente sull'altro rubinetto del trasformatore. Esattamente il contrario accade quando Q2 si accende e Q1 rimane spento. Ogni volta che si verificano i cambiamenti nel flusso di corrente, il trasformatore trasferisce l'energia dal lato primario al lato secondario.

Il grafico sopra è molto utile per verificare come ciò avvenga, inizialmente, non c'erano tensioni o flussi di corrente nel circuito. Q1 acceso, un primo colpo di tensione costante al rubinetto poiché il circuito è chiuso ora. La corrente inizia ad aumentare e quindi la tensione viene indotta nel lato secondario.

Nella fase successiva, dopo un tempo di ritardo, il transistor Q1 si spegne e Q2 si accende. Ecco alcune cose importanti al lavoro: la capacità parassita del trasformatore e l'induttanza formano un circuito LC che inizia a commutare con polarità opposta. La carica inizia a rifluire nella direzione opposta attraverso l'altro avvolgimento del rubinetto del trasformatore. In questo modo, la corrente viene costantemente spinta in modi alternati da questi due transistor. Tuttavia, poiché l'estrazione viene eseguita dal circuito LC e dal rubinetto centrale del trasformatore, si chiama topologia push-pull. Spesso è descritto in modo tale che i due transistor spingono la corrente alternativamente nominando la convenzione push-pull dove i transistor non tirano la corrente. La forma d'onda del carico appare come il dente di sega, tuttavia, non è quella mostrata nella forma d'onda sopra.

Dopo aver appreso come funziona il progetto di un convertitore push-pull, passiamo alla costruzione di un circuito reale per esso, e poi possiamo analizzarlo sul banco. Ma prima, diamo un'occhiata allo schema.

Componenti necessari per costruire un pratico convertitore push-pull

Ebbene, il circuito sottostante è costruito su una breadboard. I componenti utilizzati per il test dei circuiti sono i seguenti:

1. Induttori da 2 pezzi con la stessa potenza: induttore toroidale da 220uH 5A.
2. Condensatore a film di poliestere 0,1uF - 2 pezzi
3. Resistenza 1k 1% - 2 pz
4. Transistor a coppia Darlington ULN2003
5. Condensatore 100uF 50V

Un pratico schema del circuito del convertitore push-pull

Lo schema è piuttosto semplice. Analizziamo la connessione, l'ULN2003 è l'array di transistor a coppia Darlington. Questo array di transistor è utile in quanto i diodi a ruota libera sono disponibili all'interno del chipset e non richiede componenti aggiuntivi, evitando così qualsiasi instradamento complesso aggiuntivo su una breadboard. Per il driver sincrono, stiamo usando un semplice timer RC che accenderà e spegnerà in modo sincrono i transistor per creare un effetto push-pull sugli induttori.

Pratico convertitore push-pull - funzionante

Il funzionamento del circuito è semplice. Rimuoviamo la coppia Darlington e semplifichiamo il circuito utilizzando due transistor Q1 e Q2.

Le reti RC sono collegate in posizione incrociata con la base di Q1 e Q2, che attivano i transistor alternati utilizzando una tecnica di feedback chiamata feedback rigenerativo.

Inizia a funzionare in questo modo: quando applichiamo la tensione al rubinetto centrale del trasformatore (dove la connessione comune tra due induttori), la corrente fluirà attraverso il trasformatore. A seconda della densità del flusso e della saturazione della polarità, negativa o positiva, la corrente carica prima C1 e R1 o C2 e R2, non entrambi. Immaginiamo che C1 e R1 ottengano prima la corrente. C1 e R1 forniscono un timer che accende il transistor Q2. La sezione L2 del trasformatore indurrà tensione utilizzando il flusso magnetico. In questa situazione, C2 e R2 iniziano a caricarsi e accendono Q1. La sezione L1 del trasformatore induce quindi una tensione. La temporizzazione o la frequenza dipende interamente dalla tensione di ingresso, dal flusso saturo del trasformatore o dell'induttore, dalle spire primarie, dall'area del centimetro quadrato della sezione trasversale del nucleo.La formula della frequenza è-

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

Dove Vin è la tensione di ingresso, 10 ⁸ è un valore costante, β _s è la densità di flusso saturo del nucleo che si rifletterà sul trasformatore, A è l'area della sezione trasversale e N è il numero di spire.

Test del circuito del convertitore push-pull

Per testare il circuito, sono necessari i seguenti strumenti:

1. Due millimetri: uno per controllare la tensione di ingresso e un altro per la tensione di uscita
2. Un oscilloscopio
3. Un alimentatore da banco.

Il circuito è costruito in una breadboard e la potenza viene aumentata lentamente. La tensione di ingresso è 2,16 V mentre la tensione di uscita è 8,12 V, che è quasi quattro volte la tensione di ingresso.

Tuttavia, questo circuito non utilizza alcuna topologia di feedback, quindi la tensione di uscita non è costante e né isolata.

La frequenza e la commutazione del push-pull si osserva nell'oscilloscopio-

Quindi il circuito ora agisce come un convertitore boost push-pull dove la tensione di uscita non è costante. Si prevede che questo convertitore push-pull possa fornire una potenza fino a 2W, ma non l'abbiamo testato a causa della mancanza di generazione di feedback.

Conclusioni

Questo circuito è una forma semplice del convertitore push-pull. Tuttavia, si consiglia sempre di utilizzare un IC driver push-pull appropriato per l'output desiderato. Il circuito può essere costruito in un modo in cui isolato o non isolato, è possibile costruire qualsiasi topologia in conversione push-pull.

Il circuito sottostante è un circuito appropriato del convertitore da CC a CC push-pull controllato. È un convertitore push-pull 1: 1 che utilizza LT3999 per dispositivi analogici (tecnologie lineari).

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