Cách thiết kế một bộ chuyển đổi kéo đẩy - lý thuyết cơ bản, cấu tạo và trình diễn

Khi làm việc với điện tử công suất, cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC trở nên rất quan trọng đối với các thiết kế thực tế. Chủ yếu có hai loại cấu trúc liên kết chuyển đổi DC-DC chính có sẵn trong thiết bị điện tử công suất, đó là bộ chuyển đổi chuyển mạch và bộ chuyển đổi tuyến tính.

Bây giờ từ định luật bảo toàn năng lượng, chúng ta biết rằng năng lượng không thể được tạo ra cũng như không bị phá hủy, mà nó chỉ có thể được chuyển hóa. Điều tương tự cũng xảy ra đối với bộ điều chỉnh chuyển mạch, công suất đầu ra (công suất) của bất kỳ bộ chuyển đổi nào là sản phẩm của điện áp và dòng điện, bộ chuyển đổi DC-DC lý tưởng là chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện trong khi công suất không đổi. Một ví dụ có thể là trường hợp đầu ra 5V có thể cung cấp dòng điện 2A. Trước đây chúng tôi đã thiết kế một mạch SMPS 5V, 2A, bạn có thể kiểm tra xem đó có phải là thứ bạn đang tìm kiếm hay không.

Bây giờ hãy xem xét một tình huống mà chúng ta cần thay đổi nó thành đầu ra 10V cho một ứng dụng cụ thể. Bây giờ, nếu bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng ở nơi này và đầu ra 5V 2A là 10W không đổi, thì lý tưởng nhất là bộ chuyển đổi DC-DC sẽ chuyển đổi Điện áp thành 10V với định mức dòng 1A. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng cấu trúc liên kết chuyển mạch tăng cường trong đó một cuộn cảm chuyển mạch được chuyển đổi liên tục.

Một phương pháp tốn kém nhưng hữu ích khác là sử dụng bộ chuyển đổi kéo đẩy. Bộ chuyển đổi push-pull mở ra rất nhiều khả năng chuyển đổi, chẳng hạn như Buck, Boost, Buck-Boost, cấu trúc liên kết cô lập hoặc thậm chí không cô lập, nó cũng là một trong những cấu trúc liên kết chuyển đổi lâu đời nhất được sử dụng trong điện tử công suất yêu cầu các thành phần tối thiểu để sản xuất đầu ra công suất trung bình (Thông thường - 150W đến 500W) với nhiều điện áp đầu ra. Người ta cần thay đổi cuộn dây máy biến áp để thay đổi điện áp đầu ra trong mạch biến đổi kéo đẩy cách ly.

Tuy nhiên, tất cả những tính năng này đặt ra nhiều câu hỏi trong tâm trí chúng tôi. Giống như, bộ chuyển đổi Push-pull hoạt động như thế nào? Cấu tạo một mạch chuyển đổi kéo đẩy cần những thành phần nào quan trọng? Vì vậy, hãy đọc cùng và chúng tôi sẽ tìm ra tất cả các câu trả lời cần thiết và cuối cùng, chúng tôi sẽ xây dựng một mạch thực tế để trình diễn và thử nghiệm, vì vậy hãy bắt tay ngay vào nó.

Cấu tạo của Bộ chuyển đổi Đẩy-Kéo

Cái tên đã có câu trả lời. Đẩy và Kéo có hai nghĩa trái ngược nhau của cùng một thứ. Ý nghĩa của Push-Pull trong thuật ngữ của giáo dân là gì? Từ điển nói rằng từ đẩy có nghĩa là di chuyển về phía trước bằng cách sử dụng lực để vượt qua người hoặc vật để di chuyển sang một bên. Trong bộ chuyển đổi DC-DC đẩy kéo, bộ đẩy xác định đẩy dòng điện hoặc cấp dòng điện. Bây giờ, kéo nghĩa là gì? Một lần nữa, từ điển nói rằng tác động lực lên ai đó hoặc thứ gì đó để gây ra chuyển động về phía bản thân. Trong bộ chuyển đổi đẩy kéo, nó lại là dòng điện được kéo.

Do đó, bộ chuyển đổi đẩy kéo là một loại bộ chuyển đổi chuyển đổi trong đó dòng điện liên tục được đẩy vào một cái gì đó và liên tục kéo từ một cái gì đó. Đây là một loại biến áp quay ngược hoặc một cuộn cảm. Dòng điện được đẩy và kéo liên tục từ máy biến áp. Sử dụng phương pháp kéo đẩy này, máy biến áp chuyển từ thông sang cuộn thứ cấp và cung cấp một số loại điện áp cách ly.

Bây giờ, vì đây là một loại bộ điều chỉnh chuyển mạch, cũng như máy biến áp cần được chuyển đổi theo cách mà dòng điện cần được đẩy và kéo một cách đồng bộ, vì vậy chúng ta cần một số loại bộ điều chỉnh chuyển mạch. Ở đây, cần có một trình điều khiển push-pull không đồng bộ. Bây giờ, rõ ràng là các công tắc được làm bằng các loại Transistor hoặc Mosfet khác nhau.

Có rất nhiều trình điều khiển push-pull có sẵn trên thị trường điện tử có thể được sử dụng ngay lập tức cho công việc liên quan đến đàm thoại push-pull.

Có thể tìm thấy một số IC Driver như vậy trong danh sách dưới đây-

LT3999
MAX258
MAX13253
LT3439
TL494

Bộ chuyển đổi Push Pull hoạt động như thế nào?

Để hiểu nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi kéo đẩy, chúng tôi đã vẽ một mạch cơ bản là một bộ chuyển đổi kéo kéo nửa cầu cơ bản , và hình bên dưới của nó, để đơn giản, chúng tôi đã trình bày về cấu trúc liên kết nửa cầu, nhưng có một cấu trúc liên kết phổ biến khác có sẵn và được gọi là bộ chuyển đổi đẩy-kéo toàn cầu.

Hai bóng bán dẫn NPN sẽ kích hoạt chức năng push-pull. Hai bóng bán dẫn Q1 và Q2 không thể được bật cùng một lúc. Khi Q1 được bật, Q2 sẽ vẫn tắt, khi Q1 tắt, Q2 sẽ bật. Nó sẽ diễn ra tuần tự và sẽ tiếp tục như một vòng lặp.

Như chúng ta thấy, mạch trên sử dụng một máy biến áp, đây là một bộ chuyển đổi kéo đẩy cách ly.

Hình ảnh trên hiển thị trạng thái Q1 được bật và Q2 sẽ tắt. Do đó, dòng điện sẽ chạy qua vòi trung tâm của máy biến áp và sẽ đi xuống đất thông qua bóng bán dẫn Q1 trong khi Q2 sẽ chặn dòng điện trên vòi khác của máy biến áp. Chính xác là điều ngược lại xảy ra khi Q2 bật và Q1 vẫn tắt. Bất cứ khi nào dòng điện thay đổi xảy ra, máy biến áp sẽ truyền năng lượng từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp.

Biểu đồ trên rất hữu ích để kiểm tra xem điều này xảy ra như thế nào, lúc đầu, không có điện áp hoặc dòng điện chạy trong mạch. Q1 đã bật, một điện áp không đổi đầu tiên đập vào vòi khi mạch đang đóng. Dòng điện bắt đầu tăng và khi đó điện áp cảm ứng vào bên thứ cấp.

Trong giai đoạn tiếp theo, sau một thời gian trễ, bóng bán dẫn Q1 tắt và Q2 được bật. Đây là một vài điều quan trọng trong công việc - điện dung ký sinh của máy biến áp và điện cảm tạo thành một mạch LC bắt đầu chuyển đổi theo cực tính ngược lại. Điện tích bắt đầu chảy ngược chiều qua cuộn dây vòi khác của máy biến áp. Theo cách này, dòng điện liên tục được đẩy theo các chế độ thay thế bởi hai bóng bán dẫn đó. Tuy nhiên, khi việc kéo được thực hiện bởi mạch LC và vòi trung tâm của máy biến áp, nó được gọi là cấu trúc liên kết đẩy-kéo. Thường thì nó được mô tả theo cách mà hai bóng bán dẫn đẩy dòng điện luân phiên đặt tên là quy ước đẩy kéo trong đó bóng bán dẫn không kéo dòng điện. Tuy nhiên, dạng sóng tải trông giống như răng cưa, tuy nhiên, nó không được thể hiện trong dạng sóng ở trên.

Như chúng ta đã tìm hiểu cách hoạt động của thiết kế bộ chuyển đổi đẩy kéo, hãy chuyển sang xây dựng một mạch thực tế cho nó, và sau đó chúng ta có thể phân tích điều đó trên băng ghế dự bị. Nhưng trước đó, chúng ta hãy xem sơ đồ.

Các thành phần cần thiết để xây dựng một Bộ chuyển đổi Đẩy kéo Thực tế

Chà, mạch dưới đây được xây dựng trên một breadboard. Các thành phần được sử dụng để kiểm tra mạch như sau:

Cuộn cảm 2 cái có cùng định mức - cuộn cảm hình xuyến 220uH 5A.
Tụ phim polyester 0,1uF - 2 chiếc
1k điện trở 1% - 2 chiếc
Bóng bán dẫn cặp Darlington ULN2003
Tụ điện 100uF 50V

Sơ đồ mạch chuyển đổi đẩy-kéo thực tế

Sơ đồ là khá thẳng về phía trước. Hãy phân tích kết nối, ULN2003 là mảng bóng bán dẫn cặp Darlington. Mảng Transistor này rất hữu ích vì các điốt tự do có sẵn bên trong chipset và nó không yêu cầu bất kỳ thành phần bổ sung nào, do đó tránh được bất kỳ định tuyến phức tạp bổ sung nào trên bảng mạch. Đối với trình điều khiển đồng bộ, chúng tôi đang sử dụng bộ hẹn giờ RC đơn giản sẽ bật và tắt đồng bộ các bóng bán dẫn để tạo ra hiệu ứng đẩy qua các cuộn cảm.

Bộ chuyển đổi Push-Pull thực tế - Hoạt động

Hoạt động của mạch rất đơn giản. Hãy loại bỏ cặp Darlington và làm cho mạch đơn giản bằng cách sử dụng hai bóng bán dẫn Q1 và Q2.

Các mạng RC được kết nối theo vị trí chéo với đế Q1 và Q2, các mạng này sẽ bật các bóng bán dẫn thay thế bằng cách sử dụng kỹ thuật phản hồi được gọi là phản hồi tái tạo.

Nó bắt đầu hoạt động như thế này - Khi chúng ta đặt điện áp vào vòi trung tâm của máy biến áp (nơi kết nối chung giữa hai cuộn cảm), dòng điện sẽ chạy qua máy biến áp. Tùy thuộc vào mật độ từ thông và độ bão hòa của cực, âm hoặc dương, dòng điện đầu tiên tích điện lên C1 và R1 hoặc C2 và R2, không phải cả hai. Hãy tưởng tượng C1 và R1 nhận được dòng điện đầu tiên. C1 và R1 cung cấp một bộ đếm thời gian bật bóng bán dẫn Q2. Phần L2 của máy biến áp sẽ tạo ra điện áp bằng cách sử dụng từ thông. Trong tình huống này, C2 và R2 bắt đầu sạc và bật Q1. Khi đó tiết diện L1 của máy biến áp tạo ra một hiệu điện thế. Thời gian hoặc tần số hoàn toàn phụ thuộc vào điện áp đầu vào, thông lượng bão hòa của máy biến áp hoặc cuộn cảm, các vòng quay sơ cấp, diện tích cm vuông mặt cắt ngang của lõi.Công thức của tần số là-

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

Trong đó Vin là điện áp đầu vào, 10 ⁸ là giá trị không đổi, β _s là mật độ thông lượng bão hòa của lõi sẽ phản xạ trên máy biến áp, A là diện tích mặt cắt và N là số vòng.

Kiểm tra mạch chuyển đổi kéo đẩy

Để kiểm tra mạch, cần có các công cụ sau:

Hai milimét - một milimét để kiểm tra điện áp đầu vào và một milimét khác để kiểm tra điện áp đầu ra
Máy hiện sóng
Một nguồn cung cấp điện cho băng ghế dự bị.

Mạch được xây dựng trong một breadboard và công suất được tăng lên từ từ. Điện áp đầu vào là 2,16V trong khi điện áp đầu ra là 8,12V, gần gấp bốn lần điện áp đầu vào.

Tuy nhiên, mạch này không sử dụng bất kỳ cấu trúc liên kết phản hồi nào, vì vậy điện áp đầu ra không cố định và cũng không bị cô lập.

Tần số và sự chuyển đổi của lực đẩy được quan sát trong máy hiện sóng-

Vì vậy, mạch hiện đang hoạt động như một bộ chuyển đổi tăng áp kéo trong đó điện áp đầu ra không đổi. Dự kiến, bộ chuyển đổi push-pull này có thể cung cấp công suất lên đến 2W, nhưng chúng tôi chưa thử nghiệm do thiếu bộ tạo phản hồi.

Kết luận

Mạch này là một dạng đơn giản của bộ chuyển đổi push-pull. Tuy nhiên, bạn nên sử dụng IC điều khiển đẩy kéo thích hợp để có đầu ra mong muốn. Mạch có thể được xây dựng theo cách cô lập hoặc không cô lập, bất kỳ cấu trúc liên kết nào trong chuyển đổi đẩy kéo đều có thể được xây dựng.

Mạch dưới đây là mạch thích hợp của bộ chuyển đổi DC sang DC có điều khiển đẩy kéo. Nó là một bộ chuyển đổi đẩy kéo 1: 1 sử dụng LT3999 cho Thiết bị Tương tự (Công nghệ Tuyến tính).

Tôi hy vọng bạn thích bài viết và học được điều gì đó mới nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào liên quan đến chủ đề này, hãy đặt bình luận xuống bên dưới hoặc bạn có thể đăng câu hỏi của mình trực tiếp trên diễn đàn của chúng tôi.