Međutim, postupak uvijek zadržava odnos P = I x V, što znači da kako izlaz pretvarača pojačava ulazni napon, izlaz proporcionalno prolazi kroz smanjenje struje, što dovodi do toga da je izlazna snaga gotovo uvijek jednaka ulaznoj snage ili manje od ulazne snage.
Kako djeluje pretvarač pojačanja
Pojačala pretvarač je vrsta SMPS-a ili napajanja u preklopnom načinu rada koji u osnovi radi s dva aktivna poluvodiča (tranzistor i dioda) i s najmanje jednom pasivnom komponentom u obliku kondenzatora ili prigušnice ili obje za veću učinkovitost.Ovdje se induktor u osnovi koristi za pojačavanje napona, a kondenzator je uveden za filtriranje fluktuacija prebacivanja i za smanjenje mreškanja struje na izlazu pretvarača.
Ulazno napajanje koje će biti potrebno pojačati ili pojačati može se nabaviti iz bilo kojeg odgovarajućeg istosmjernog izvora, poput baterija, solarnih panela, generatora na motoru itd.
Načelo rada
Prigušnica u pretvaraču pojačanja igra važnu ulogu u pojačavanju ulaznog napona.
Ključni aspekt koji postaje odgovoran za aktiviranje pojačanog napona od induktora je zbog njegovog svojstvenog svojstva da se odupire ili suprotstavi iznenada induciranoj struji preko njega, i zbog svog odgovora na to stvaranjem magnetskog polja i naknadnim uništavanjem magnetskog polje. Uništavanje dovodi do oslobađanja uskladištene energije.
Ovaj gornji postupak rezultira pohranjivanjem struje u induktoru i vraćanjem te uskladištene struje natrag preko izlaza u obliku stražnjeg EMF-a.
Sklop upravljačkog sklopa relejnog tranzistora može se smatrati izvrsnim primjerom kruga pretvarača pojačanja. Povratna dioda spojena preko releja uvodi se za kratki spoj povratnih EMF-ova iz zavojnice releja i za zaštitu tranzistora kad god se isključi.
Ako se ova dioda ukloni i preko kolektora / emitora tranzistora spoji ispravljač diodnog kondenzatora, pojačani napon iz zavojnice releja može se prikupiti preko ovog kondenzatora.
Proces u dizajnu pretvarača pojačanja rezultira izlaznim naponom koji je uvijek veći od ulaznog napona.
Konfiguracija pretvarača pojačanja
Pozivajući se na slijedeću sliku, možemo vidjeti standardnu konfiguraciju pojačala pretvarača, radni obrazac može se shvatiti kako je dat pod:Kada se prikazani uređaj (koji bi mogao biti bilo koji standardni BJT ili MOSFET) uključi, struja iz ulaznog napajanja ulazi u induktor i teče u smjeru kazaljke na satu kroz tranzistor da bi završila ciklus na negativnom kraju ulaznog napajanja.
Tijekom gore navedenog postupka induktor doživljava naglo uvođenje struje preko sebe i pokušava se oduprijeti prilivu, što rezultira pohranjivanjem određene količine struje u njemu kroz stvaranje magnetskog polja.
U slijedećem slijedu, kada je tranzistor ISKLJUČEN, provođenje struje se prekida, ali opet forsira naglu promjenu razine struje na induktoru. Prigušnica reagira na to udaranjem unazad ili ispuštanjem pohranjene struje. Budući da je tranzistor u položaju ISKLJUČENO, ova energija pronalazi svoj put kroz diodu D i preko prikazanih izlaznih stezaljki u obliku stražnjeg EMF napona.
Induktor to izvodi uništavanjem magnetskog polja koje je ranije bilo stvoreno u njemu dok je tranzistor bio u načinu prekidača.
Međutim, gornji postupak oslobađanja energije provodi se s suprotnim polaritetom, tako da ulazni opskrbni napon sada postaje u seriji s povratnim naponom EMF induktora. I kao što svi znamo da kada se izvori napajanja spajaju u nizu, njihov se neto napon zbraja da bi se dobio veći kombinirani ishod.
Isto se događa u pojačivačem pretvarača tijekom načina pražnjenja prigušnice, stvarajući izlaz koji može biti kombinirani rezultat povratnog EMF napona prigušnice i postojećeg napona napajanja, kao što je prikazano na gornjem dijagramu
Ovaj kombinirani napon rezultira pojačanim izlazom ili pojačanim izlazom koji pronalazi svoj put kroz diodu D i poprečni kondenzator C da bi u konačnici dostigao priključeno opterećenje.
Kondenzator C ovdje igra prilično važnu ulogu, tijekom načina pražnjenja induktiviteta kondenzator C u sebi pohranjuje oslobođenu kombiniranu energiju, a tijekom sljedeće faze kada se tranzistor ponovno ISKLJUČI i induktor nalazi u načinu pohrane, kondenzator C pokušava za održavanje ravnoteže isporučujući vlastitu pohranjenu energiju u teret. Pogledajte donju sliku.
To osigurava relativno stabilan napon za priključeno opterećenje koje može postići snagu tijekom ON i OFF perioda tranzistora.
Ako C nije uključen, tada se ova značajka otkazuje što rezultira nižom snagom opterećenja i nižom stopom učinkovitosti.
Gore objašnjeni postupak nastavlja se dok se tranzistor uključuje / isključuje na zadanoj frekvenciji, održavajući efekt pojačane pretvorbe.
Načini rada
Pretvaračem pojačanja može se primarno raditi u dva načina: kontinuiranom i prekinutom načinu rada.U kontinuiranom načinu struje prigušnice nikada ne smije doseći nulu tijekom postupka pražnjenja (dok je tranzistor ISKLJUČEN).
To se događa kada se vrijeme UKLJ. / ISKLJ. Tranzistora dimenzionira na takav način da se induktor uvijek brzo vrati natrag s ulaznim napajanjem preko uključenog tranzistora, prije nego što se uspije potpuno isprazniti preko opterećenja i kondenzatora C.
To omogućuje induktoru da dosljedno proizvodi napon pojačanja efikasnom brzinom.
U prekinutom načinu rada, vrijeme uključivanja tranzistorskog prekidača može biti toliko široko udaljeno da se induktoru može dopustiti da se potpuno isprazni i ostane neaktivan između razdoblja uključivanja tranzistora, stvarajući ogromne valove napona na opterećenju i kondenzatoru C.
To bi moglo učiniti izlaz manje učinkovitim i s više kolebanja.
Najbolji pristup je izračunati vrijeme UKLJUČIVANJA / ISKLJUČIVANJA tranzistora koji daje maksimalni stabilni napon na izlazu, što znači da moramo osigurati da je induktor optimalno uključen tako da nije ni prebrzo UKLJUČEN što možda ne dopušta njegovo pražnjenje optimalno, a niti ga UKLJUČATI vrlo kasno što bi moglo dovesti do neučinkovite točke.
Izračunavanje, induktivitet, struja, napon i radni ciklus u pretvaraču pojačanja
Ovdje ćemo razgovarati samo o kontinuiranom načinu rada, što je poželjniji način rada s pretvaračem pojačanja, procijenimo izračune uključene s pretvaračem pojačanja u kontinuiranom načinu rada:Dok je tranzistor u uključenoj fazi, ulazni napon izvora (
) primjenjuje se preko induktora inducirajući struju ( 
) nakupljaju se kroz induktor tijekom vremenskog razdoblja, označenog s (t). To se može izraziti sljedećom formulom: ΔIL / Δt = Vt / L
Do trenutka kada će se stanje tranzistora UKLJ. Prijeći i tranzistor se ISKLJUČITI, struja koja bi se trebala nakupljati u induktoru mogla bi se dobiti prema sljedećoj formuli:
ΔIL (uključeno) = 1 / L 0ʃDT
ili
Širina = DT (Vi) / L
Gdje je D radni ciklus. Da biste razumjeli njegovu definiciju, možete se pozvati na naš prethodni b uck pretvarač povezan post
L označava vrijednost induktivnosti induktora u Henryju.
Sada, dok je tranzistor u isključenom stanju, i ako pretpostavimo da dioda nudi minimalni pad napona na njemu i kondenzator C dovoljno velik da može proizvesti gotovo konstantan izlazni napon, tada će izlazna struja (
) može se zaključiti uz pomoć sljedećeg izraza Vi - Vo = LdI / dt
Također, trenutne varijacije (
) koji se mogu pojaviti na induktoru tijekom njegovog razdoblja pražnjenja (isključeno stanje tranzistora) može se dati kao: ΔIL (isključeno) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L
Pod pretpostavkom da pretvarač može raditi u relativno stabilnim uvjetima, može se pretpostaviti da je veličina struje ili energija pohranjena u induktoru tijekom ciklusa komutacije (prebacivanja) stabilna ili s jednakom brzinom, to se može izraziti kao:
E = ½ D x 2IL
Gore navedeno također implicira da bi, budući da bi struja tijekom cijelog razdoblja komutacije ili na početku stanja UKLJUČENJA i na kraju stanja ISKLJUČENJA trebali biti identični, njihova rezultirajuća vrijednost promjene trenutne razine trebala bi biti nula, kao izraženo u nastavku:
ΔIL (uključeno) + ΔIL (isključeno) = 0
Ako vrijednosti ΔIL (uključeno) i ΔIL (isključeno) u gornjoj formuli zamijenimo iz prethodnih izvoda, dobit ćemo:
IL (uključeno) - ΔIL (isključeno) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0
Daljnjim pojednostavljenjem dobivamo sljedeći rezultat: Vo / Vi = 1 / (1 - D)
ili
Vo = Vi / (1 - D)
Gornji izraz jasno identificira da će izlazni napon u pojačivačem pretvarača uvijek biti veći od ulaznog napona napajanja (u cijelom rasponu radnog ciklusa, 0 do 1)
Miješajući pojmove po bočnim stranama u gornjoj jednadžbi, dobivamo jednadžbu za određivanje radnog ciklusa u radnom ciklusu pretvarača pojačanja.
D = 1 - Vo / Vi
Gore navedene procjene daju nam različite formule za određivanje različitih parametara uključenih u operacije pojačivača pretvarača, koji se mogu učinkovito koristiti za izračunavanje i optimizaciju točnog dizajna pretvarača pojačanja.
Izračunajte stupanj snage pretvarača pojačanja
Sljedeće 4 smjernice potrebne su za izračunavanje stupnja snage pretvarača pojačanja:
1. Raspon ulaznog napona: Vin (min) i Vin (max)
2. Minimalni izlazni napon: Vout
3. Najveća izlazna struja: izlaz (max)
4. IC krug upotrijebljen za izgradnju pretvarača pojačanja.
To je često obvezno, jednostavno zato što bi se trebali uzeti određeni obrisi za proračune koji se možda ne spominju u tehničkom listu.
U slučaju da su ta ograničenja poznata, aproksimacija stupnja snage je uobičajena
odvija se.
Procjena najveće preklopne struje
Primarni korak za određivanje sklopne struje bio bi utvrditi radni ciklus, D, za minimalni ulazni napon. Minimalni ulazni napon se koristi uglavnom zato što to rezultira najvećom strujom sklopke.
D = 1 - {Vin (min) x n} / Vout ---------- (1)
Vin (min) = minimalni ulazni napon
Vout = potreban izlazni napon
n = učinkovitost pretvarača, na pr. predviđena vrijednost može biti 80%
Učinkovitost se unosi u izračun radnog ciklusa, jednostavno zato što je pretvarač potreban da također predstavi rasipanje snage. Ova procjena nudi razumniji radni ciklus u usporedbi s formulom bez faktora učinkovitosti.
Moramo omogućiti procijenjenu toleranciju od 80% (što ne bi moglo biti nepraktično za pojačanje
efikasnost pretvarača u najgorem slučaju), treba razmotriti ili se eventualno uputiti na dio konvencionalnih značajki lista podataka odabranog pretvarača
Izračunavanje mreškaste struje
Sljedeća radnja za izračunavanje najveće sklopne struje bila bi pronalaženje mreškaste struje induktora.
U podatkovnom listu pretvarača obično se govori o određenom prigušivanju ili o raznim prigušnicama koje rade s IC-om. Stoga moramo koristiti ili predloženu vrijednost induktora za izračunavanje valovite struje, ako ništa nije prikazano u podatkovnom listu, onoj procjenjenoj na popisu induktora.
S izbor ove napomene za izračun stupnja snage pretvarača pojačanja.
Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)
Vin (min) = najmanji ulazni napon
D = radni ciklus izmjeren u jednadžbi 1
f (s) = najmanja frekvencija uključivanja pretvarača
L = poželjna vrijednost prigušnice
Naknadno se mora uspostaviti ako preferirani IC može biti u mogućnosti pružiti optimalni izlaz
Trenutno.
Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)
I lim (min) = minimalna vrijednost
trenutno ograničenje uključenog prekidača (istaknuto u podacima
list)
Delta I (l) = mreškasta struja induktora izmjerena u prethodnoj jednadžbi
D = radni ciklus izračunat u prvoj jednadžbi
U slučaju da je procijenjena vrijednost za optimalnu izlaznu struju odabranog IC, Iout (max), ispod očekivane najveće izlazne struje sustava, doista treba primijeniti alternativni IC s malo većom regulacijom struje prekidača.
Pod uvjetom da je izmjerena vrijednost za Iout (max) vjerojatno za nijansu manja od očekivane, regrutirani IC možete primijeniti induktorom s većom induktivnošću kad god je još uvijek u propisanom nizu. Veća induktivnost smanjuje valovitu struju, pa povećava maksimalnu izlaznu struju sa specifičnim IC.
Ako je utvrđena vrijednost iznad najbolje izlazne struje programa, izračunava se najveća preklopna struja u opremi:
Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / (1 - D) --------- (4)
Delta I (L) = valovita struja induktora izmjerena u drugoj jednadžbi
Iout (max), = optimalna izlazna struja bitna u uslužnom programu
D = radni ciklus kako je ranije izmjereno
To je zapravo optimalna struja, induktor, zatvoreni prekidač (i), osim vanjske diode, trebaju se suprotstaviti.
Odabir induktora
Listovi s podacima ponekad daju brojne preporučene vrijednosti induktora. Ako je takva situacija, poželjeti ćete prigušivač s tim rasponom. Što je veća vrijednost induktora, povećana je maksimalna izlazna struja uglavnom zbog smanjene valovite struje.
Smanjena vrijednost induktora, umanjena je veličina otopine. Imajte na umu da bi prigušnica uistinu uvijek trebala uključivati bolju strujnu vrijednost za razliku od maksimalne struje navedene u jednadžbi 4 zbog činjenice da se struja ubrzava smanjenjem induktiviteta.
Za elemente u kojima nije podijeljen opseg prigušnice, sljedeća slika pouzdan je izračun za prikladnu prigušnicu
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)
Vin = standardni ulazni napon
Vout = poželjni izlazni napon
f (s) = minimalna frekvencija uključivanja pretvarača
Delta I (L) = projicirana valovita struja induktora, promatrajte dolje:
Puhala struje induktora jednostavno se ne može izmjeriti prvom jednadžbom, samo zato što induktor nije prepoznat. Aproksimacija zvuka za valovitu struju induktora iznosi 20% do 40% izlazne struje.
Delta I (L) = (0,2 do 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (6)
Delta I (L) = projicirana valovita struja induktora
Iout (max) = optimalni izlaz
struja potrebna za prijavu
Određivanje diode ispravljača
Da bi se smanjili gubici, Schottky diode doista treba smatrati dobrim izborom.
Nazivna struja koja se smatra potrebnom jednaka je maksimalnoj izlaznoj struji:
I (f) = Iout (max) ---------- (7)
I (f) = tipično
naprijed struja ispravljačke diode
Iout (max) = optimalna izlazna struja važna u programu
Schottky diode uključuju znatno veću vršnu struju u odnosu na normalnu vrijednost. Zbog toga povećana vršna struja u programu ne predstavlja veliku brigu.
Drugi parametar koji treba nadzirati je rasipanje snage diode. Sastoji se od rukovanja:
P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)
I (f) = prosječna prednja struja ispravljačke diode
V (f) = napon naprijed ispravljačke diode
Postavljanje izlaznog napona
Većina pretvarača dodjeljuje izlazni napon rezistentnom razdjelnom mrežom (koja može biti ugrađenatrebaju li biti stacionarni pretvarači izlaznog napona).
S dodijeljenim povratnim naponom, V (fb), i strujom pristranosti povratne sprege, I (fb), djelitelj napona obično je
izračunati.
Struja uz pomoć otpornog razdjelnika mogla bi biti možda sto puta masovnija od struje pristranosti povratne sprege:
I (r1 / 2)> ili = 100 x I (fb) ---------- (9)
I (r1 / 2) = struja u toku otpornog razdjelnika na GND
I (fb) = struja pristranosti povratne informacije iz tehničkog lista
To povećava netočnost ocjene napona ispod 1%. Struja je dodatno znatno veća.
Glavni problem manjih vrijednosti otpora je povećani gubitak snage u otpornom razdjelniku, osim što bi relevantnost mogla biti donekle povišena.
S gornjim uvjerenjem, otpornici su izrađeni kako je navedeno u nastavku:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)
R1, R2 = otporni razdjelnik.
V (fb) = povratni napon s tehničkog lista
I (r1 / 2) = struja zbog otpornog razdjelnika na GND, utvrđenog u jednadžbi 9
Vout = planirani izlazni napon
Izbor ulaznog kondenzatora
Najmanje vrijednosti za ulazni kondenzator obično se daju u tehničkom listu. Ova najmanja vrijednost je vitalna za stabilan ulazni napon kao rezultat vršne struje preduvjeta komutacijskog napajanja.
Najprikladnija metoda je korištenje keramičkih kondenzatora s smanjenim ekvivalentnim serijskim otporom (ESR).
Dielektrični element mora biti X5R ili veći. Inače, kondenzator bi mogao otpasti veći dio svog kapaciteta zbog jednosmjerne pristranosti ili temperature (vidi reference 7 i 8).
Vrijednost bi se zapravo mogla povećati ako je možda ulazni napon bučan.
Izbor izlaznog kondenzatora
Najbolja metoda je lociranje malih ESR kondenzatora kako bi se smanjilo valovitost izlaznog napona. Keramički kondenzatori pravi su tip kada je dielektrični element tipa X5R ili učinkovitijiU slučaju da pretvarač ima vanjsku kompenzaciju, može se primijeniti bilo koja vrsta kondenzatora iznad zagovarane najmanje u tablici s podacima, no nekako mora biti potrebna kompenzacija za odabrani izlazni kapacitet.
Kod interno kompenziranih pretvarača potrebno je naviknuti preporučljive vrijednosti prigušnice i kondenzatora ili bi se podaci u tablici za prilagodbu izlaznih kondenzatora mogli usvojiti s omjerom L x C.
Uz sekundarnu kompenzaciju, sljedeće jednadžbe mogu biti od pomoći u regulaciji vrijednosti izlaznog kondenzatora za planirano valovitost izlaznog napona:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)
Cout (min) = najmanji izlazni kapacitet
Iout (max) = optimalna izlazna struja upotrebe
D = radni ciklus izrađen s jednadžbom 1
f (s) = najmanja frekvencija uključivanja pretvarača
Delta Vout = idealno mreškanje izlaznog napona
ESR izlaznog kondenzatora povećava crticu više mreškanja, unaprijed dodijeljenu jednadžbom:
Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)
Delta Vout (ESR) = alternativno valovitost izlaznog napona nastalo kao rezultat ESR kondenzatora
ESR = ekvivalentni serijski otpor upotrijebljenog izlaznog kondenzatora
Iout (max) = najveća izlazna struja iskorištenja
D = radni ciklus odgonetnut u prvoj jednadžbi
Delta I (l) = struja mreškanja induktora iz jednadžbe 2 ili jednadžbe 6
Jednadžbe za procjenu stupnja snage pojačala pretvarača
Maksimalni radni ciklus: D = 1 - Vino (min) x n / Vout ---------- (14)
Vin (min) = najmanji ulazni napon
Vout = očekivani izlazni napon
n = učinkovitost pretvarača, na pr. procjenjuje se 85%
Pulsna struja induktora:
Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)
Vin (min) = najmanji ulazni napon
D = radni ciklus utvrđen u jednadžbi 14
f (s) = nominalna preklopna frekvencija pretvarača
L = navedena vrijednost prigušnice
Maksimalna izlazna struja nominirane IC:
Izlaz (max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)Ilim (min) = najmanja vrijednost trenutne granice integralne vještice (nudi se u tehničkom listu)
Delta I (l) = vala struje induktora utvrđena u jednadžbi 15
D = radni ciklus procijenjen u jednadžbi 14
Maksimalna struja sklopke specifična za primjenu:
Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)Delta I (l) = vala struje induktora procijenjena u jednadžbi 15
Iout (max), = najveća moguća izlazna struja potrebna u uslužnom programu
D = radni ciklus utvrđen u jednadžbi 14
Približavanje induktora:
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)Vin = zajednički ulazni napon
Vout = planirani izlazni napon
f (s) = najmanja frekvencija uključivanja pretvarača
Delta I (l) = projicirana valovita struja induktora, vidi jednadžbu 19
Procjena struje vala induktora:
Delta I (l) = (0,2 do 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (19)Delta I (l) = projicirana valovita struja induktora
Iout (max) = najveća izlazna struja važna u upotrebi
Tipična prednja struja ispravljačke diode:
I (f) = Iout (max) ---------- (20)
Iout (max) = optimalna izlazna struja prikladna u uslužnom programu
Raspad snage u ispravljačkoj diodi:
P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)
I (f) = tipična prednja struja ispravljačke diode
V (f) = napon naprijed ispravljačke diode
Struja upotrebom mreže otpornih razdjelnika za pozicioniranje izlaznog napona:
I (r1 / 2)> ili = 100 x I (fb) ---------- (22)I (fb) = struja pristranosti povratne informacije iz tehničkog lista
Vrijednost otpora između FB pina i GND:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)
Vrijednost otpornika između FB pin-a i Vout-a:
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)
V (fb) = povratni napon s tehničkog lista
I (r1 / 2) = struja
zbog otpornog razdjelnika na GND, shvaćenog u jednadžbi 22
Vout = traženi izlazni napon
Najmanji izlazni kapacitet, inače unaprijed dodijeljen u tehničkom listu:
Izrez (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)
Iout (max) = najveća moguća izlazna struja programa
D = radni ciklus utvrđen u jednadžbi 14
f (s) = najmanja frekvencija uključivanja pretvarača
Delta Vout = očekivano valovitost izlaznog napona
Prekomjerno mreškanje izlaznog napona zbog ESR:
Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)
ESR = paralelni serijski otpor upotrijebljenog izlaznog kondenzatora
Iout (max) = optimalna izlazna struja upotrebe
D = radni ciklus utvrđen u jednadžbi 14
Delta I (l) = struja mreškanja induktora iz jednadžbe 15 ili jednadžbe 19
Prethodno: Napravite ovaj krug električnog skutera / rikše Dalje: Izračun induktora u Buck Boost pretvaračima
