วิธีออกแบบตัวแปลงแบบพุชดึง - ทฤษฎีพื้นฐานการก่อสร้างและการสาธิต

เมื่อพูดถึงการทำงานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟโทโพโลยีตัวแปลง DC-DCกลายเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการออกแบบที่ใช้งานได้จริง โทโพโลยีการแปลง DC-DC หลัก ๆ มีอยู่สองประเภทในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ได้แก่ ตัวแปลงสวิตชิ่งและตัวแปลงเชิงเส้น

จากกฎการอนุรักษ์พลังงานเรารู้ว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปได้เท่านั้น เช่นเดียวกับการเปลี่ยนหน่วยควบคุมกำลังขับ (วัตต์) ของตัวแปลงใด ๆ คือผลคูณของแรงดันและกระแสตัวแปลง DC-DC จะแปลงแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าในขณะที่กำลังวัตต์คงที่ ตัวอย่างอาจเป็นสถานการณ์ที่เอาต์พุต 5V สามารถให้กระแส 2A ก่อนหน้านี้เราได้ออกแบบวงจร 5V, 2A SMPS คุณสามารถตรวจสอบได้ว่านั่นคือสิ่งที่คุณกำลังมองหาหรือไม่

ตอนนี้พิจารณาสถานการณ์ที่เราจำเป็นต้องเปลี่ยนเป็นเอาต์พุต 10V สำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะ ตอนนี้ถ้าใช้ตัวแปลง DC-DC ในสถานที่นี้และ 5V 2A ซึ่งเป็นเอาต์พุต 10W คงที่ตัวแปลง DC-DC จะแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็น 10V ด้วยพิกัดกระแส 1A สิ่งนี้สามารถทำได้โดยใช้โทโพโลยีสวิตชิ่งบูสต์ที่มีการสลับตัวเหนี่ยวนำแบบสวิตชิ่งอยู่ตลอดเวลา

อีกวิธีที่มีราคาแพง แต่มีประโยชน์คือการใช้แปลงผลักดึงตัวแปลงแบบ push-pull เปิดโอกาสในการแปลงได้มากมายเช่น Buck, Boost, Buck-Boost, แบบแยกหรือแม้แต่โทโพโลยีแบบแยกไม่ได้นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในโทโพโลยีการสลับที่เก่าแก่ที่สุดที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ต้องการส่วนประกอบขั้นต่ำ เอาต์พุตกำลังปานกลาง (โดยทั่วไป - 150W ถึง 500W) พร้อมแรงดันเอาต์พุตหลายตัว จำเป็นต้องเปลี่ยนขดลวดของหม้อแปลงเพื่อเปลี่ยนแรงดันขาออกในวงจรตัวแปลงแบบกดดึงแยก

อย่างไรก็ตามคุณสมบัติทั้งหมดนี้ทำให้เกิดคำถามมากมายในใจของเรา เช่นPush-pull converter ทำงานอย่างไร? ส่วนประกอบใดที่สำคัญในการสร้างวงจรตัวแปลงแบบกด - ดึง ดังนั้นอ่านและเราจะพบคำตอบที่จำเป็นทั้งหมดและในท้ายที่สุดเราจะสร้างวงจรที่ใช้งานได้จริงสำหรับการสาธิตและการทดสอบดังนั้นเรามาดูกันดีกว่า

การก่อสร้าง Push-Pull Converter

ชื่อมีคำตอบ Push and Pull มีสองความหมายตรงกันข้ามในสิ่งเดียวกัน ความหมายของ Push-Pull ในแง่ของคนธรรมดาคืออะไร? พจนานุกรมกำลังบอกว่าคำว่า push หมายถึงการก้าวไปข้างหน้าโดยใช้กำลังส่งคนหรือสิ่งของให้เคลื่อนออกไป ในตัวแปลง DC-DCแบบผลักดึงการกดจะกำหนดการผลักกระแสหรือป้อนกระแส ตอนนี้การดึงหมายถึงอะไร? อีกครั้งพจนานุกรมกล่าวว่าการออกแรงกับใครบางคนหรือบางสิ่งบางอย่างเพื่อทำให้เกิดการเคลื่อนไหวเข้าหาตัวเอง ในตัวแปลงแบบกดดึงเป็นอีกครั้งที่กระแสไฟฟ้าถูกดึง

ดังนั้นตัวแปลงแบบกด - ดึงจึงเป็นตัวแปลงสวิตชิ่งประเภทหนึ่งที่กระแสจะถูกผลักเข้าไปในบางสิ่งอย่างต่อเนื่องและดึงออกจากบางสิ่ง นี่คือหม้อแปลงฟลายแบ็คหรือตัวเหนี่ยวนำชนิดหนึ่ง กระแสจะถูกผลักและดึงออกจากหม้อแปลงอย่างต่อเนื่อง การใช้วิธีผลักดึงนี้หม้อแปลงจะถ่ายโอนฟลักซ์ไปยังขดลวดทุติยภูมิและให้แรงดันไฟฟ้าแยกบางประเภท

ตอนนี้เนื่องจากเป็นประเภทของตัวควบคุมการสลับเช่นเดียวกับที่ต้องเปลี่ยนหม้อแปลงในลักษณะที่ต้องผลักและดึงกระแสพร้อมกันเพื่อที่เราจะต้องมีตัวควบคุมการสลับบางประเภท ในที่นี้จำเป็นต้องใช้ไดรเวอร์ผลักดึงแบบอะซิงโครนัส ตอนนี้เห็นได้ชัดว่าสวิตช์ทำด้วย Transistors หรือ Mosfets ประเภทต่างๆ

มีไดรเวอร์แบบกดดึงจำนวนมากในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าที่สามารถใช้งานได้ทันทีสำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับการสนทนาแบบผลักดึง

ไอซีไดรเวอร์ดังกล่าวมีอยู่ไม่กี่ตัวในรายการด้านล่าง -

LT3999
สูงสุด 258
MAX13253
LT3439
TL494

Push Pull Converter ทำงานอย่างไร?

เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของตัวแปลงแบบกดดึงเราได้วาดวงจรพื้นฐานซึ่งเป็นตัวแปลงแบบผลักดึงครึ่งสะพานขั้นพื้นฐานและแสดงไว้ด้านล่างเพื่อความเรียบง่ายเราได้กล่าวถึงโทโพโลยีแบบครึ่งสะพาน แต่ยังมีโทโพโลยีทั่วไปอีกชนิดหนึ่งซึ่งเรียกว่าตัวแปลงแบบผลักดึงแบบเต็มสะพาน

ทรานซิสเตอร์ NPNสองตัวจะเปิดใช้งานฟังก์ชัน push-pull ไม่สามารถเปิดทรานซิสเตอร์สองตัว Q1 และ Q2 ในเวลาเดียวกันได้ เมื่อเปิด Q1 Q2 จะยังคงปิดอยู่เมื่อปิด Q1 Q2 จะเปิดขึ้น มันจะเกิดขึ้นตามลำดับและจะดำเนินต่อไปแบบวนซ้ำ

อย่างที่เราเห็นวงจรด้านบนใช้หม้อแปลงนี่คือตัวแปลงแบบกดดึงแยก

ภาพด้านบนแสดงสถานะที่ Q1 เปิดอยู่และ Q2 จะดับลง ดังนั้นกระแสจะไหลผ่านก๊อกกลางของหม้อแปลงและจะไปที่กราวด์ผ่านทรานซิสเตอร์ Q1 ในขณะที่ Q2 จะปิดกั้นการไหลของกระแสบนก๊อกอื่นของหม้อแปลง สิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นเมื่อ Q2 เปิดขึ้นและ Q1 ยังคงปิดอยู่ เมื่อใดก็ตามที่เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าหม้อแปลงจะถ่ายโอนพลังงานจากด้านหลักไปยังด้านทุติยภูมิ

กราฟด้านบนมีประโยชน์มากในการตรวจสอบว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในตอนแรกเคยไม่มีแรงดันไฟฟ้าหรือการไหลของกระแสในวงจร Q1 เปิดอยู่แรงดันไฟฟ้าคงที่จะกระทบกับก๊อกเป็นครั้งแรกเมื่อปิดวงจรแล้ว กระแสไฟฟ้าเริ่มเพิ่มขึ้นจากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำเข้าด้านทุติยภูมิ

ในระยะต่อไปหลังจากการหน่วงเวลาทรานซิสเตอร์ Q1 จะดับลงและเปิด Q2 ต่อไปนี้เป็นสิ่งสำคัญบางประการในที่ทำงาน - ความจุปรสิตของหม้อแปลงและการเหนี่ยวนำจะสร้างวงจร LC ที่เริ่มสลับขั้วตรงข้าม ประจุจะเริ่มไหลกลับไปในทิศทางตรงกันข้ามผ่านขดลวดก๊อกอื่น ๆ ของหม้อแปลง ในลักษณะนี้กระแสจะถูกผลักอย่างต่อเนื่องในโหมดอื่นโดยทรานซิสเตอร์สองตัวนั้น อย่างไรก็ตามเนื่องจากการดึงจะกระทำโดยวงจร LC และก๊อกตรงกลางของหม้อแปลงจึงเรียกว่าโทโพโลยีแบบกดดึง บ่อยครั้งที่มีการอธิบายในลักษณะที่ทรานซิสเตอร์ทั้งสองผลักกระแสสลับกันโดยตั้งชื่ออนุสัญญา push-pull โดยที่ทรานซิสเตอร์ไม่ดึงกระแส รูปคลื่นโหลดมีลักษณะเหมือนฟันเลื่อย แต่ไม่ได้แสดงในรูปคลื่นข้างต้น

ดังที่เราได้เรียนรู้ว่าการออกแบบตัวแปลงแบบพุชพูลทำงานอย่างไรเรามาดูการสร้างวงจรจริงสำหรับมันจากนั้นเราสามารถวิเคราะห์สิ่งนั้นบนม้านั่ง แต่ก่อนหน้านั้นเรามาดูแผนผัง

ส่วนประกอบที่จำเป็นในการสร้าง Push Pull Converter ที่ใช้ได้จริง

วงจรด้านล่างสร้างขึ้นบนเขียงหั่นขนม ส่วนประกอบที่ใช้ในการทดสอบวงจรมีดังนี้ -

ตัวเหนี่ยวนำ 2 ชิ้นที่มีคะแนนเท่ากัน - ตัวเหนี่ยวนำ toroidal 220uH 5A
ตัวเก็บประจุฟิล์มโพลีเอสเตอร์ 0.1uF - 2 ชิ้น
ตัวต้านทาน 1k 1% - 2 ชิ้น
ULN2003 ทรานซิสเตอร์คู่ดาร์ลิงตัน
ตัวเก็บประจุ 100uF 50V

แผนภาพวงจร Push-Pull Converter ที่ใช้งานได้จริง

แผนผังค่อนข้างตรงไปตรงมา ลองวิเคราะห์การเชื่อมต่อ ULN2003 คืออาร์เรย์ทรานซิสเตอร์คู่ดาร์ลิงตัน อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์นี้มีประโยชน์เนื่องจากไดโอดอิสระมีอยู่ภายในชิปเซ็ตและไม่ต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมใด ๆ จึงหลีกเลี่ยงการกำหนดเส้นทางที่ซับซ้อนเพิ่มเติมบนเขียงหั่นขนม สำหรับไดรเวอร์ซิงโครนัสเรากำลังใช้ตัวจับเวลา RC แบบธรรมดาที่จะเปิดและปิดทรานซิสเตอร์พร้อมกันเพื่อสร้างเอฟเฟกต์แบบกด - ดึงในตัวเหนี่ยวนำ

ตัวแปลง Push-Pull ที่ใช้ได้จริง - ใช้งานได้จริง

การทำงานของวงจรทำได้ง่าย ลองถอดคู่ดาร์ลิงตันและทำให้วงจรง่ายโดยใช้ทรานซิสเตอร์สองตัว Q1 และ Q2

เครือข่าย RC เชื่อมต่อกันในตำแหน่งข้ามโดยมีฐานของ Q1 และ Q2 ซึ่งจะเปิดทรานซิสเตอร์สำรองโดยใช้เทคนิคป้อนกลับที่เรียกว่าการตอบสนองแบบปฏิรูป

มันเริ่มทำงานเช่นนี้ - เมื่อเราใช้แรงดันไฟฟ้ากับก๊อกกลางของหม้อแปลง (ที่ซึ่งการเชื่อมต่อทั่วไประหว่างตัวเหนี่ยวนำสองตัว) กระแสจะไหลผ่านหม้อแปลง ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของฟลักซ์และความอิ่มตัวของขั้วลบหรือบวกประจุไฟฟ้าแรกในปัจจุบันคือ C1 และ R1 หรือ C2 และ R2 ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง ลองนึกภาพ C1 และ R1 รับกระแสก่อน C1 และ R1 มีตัวจับเวลาที่เปิดทรานซิสเตอร์ Q2 ส่วน L2 ของหม้อแปลงจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าโดยใช้ฟลักซ์แม่เหล็ก ในสถานการณ์นี้ C2 และ R2 จะเริ่มชาร์จและเปิด Q1 ส่วน L1 ของหม้อแปลงจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า เวลาหรือความถี่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าอินพุตฟลักซ์อิ่มตัวของหม้อแปลงหรือตัวเหนี่ยวนำการหมุนหลักพื้นที่หน้าตัดตารางเซนติเมตรของแกนสูตรของความถี่คือ -

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

โดยที่ Vin คือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 10 ⁸เป็นค่าคงที่β _s คือความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัวของแกนกลางที่จะสะท้อนบนหม้อแปลง A คือพื้นที่หน้าตัดและ N คือจำนวนรอบ

การทดสอบวงจร Push Pull Converter

สำหรับการทดสอบวงจรต้องใช้เครื่องมือต่อไปนี้ -

สองมิลลิเมตร - หนึ่งสำหรับตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและอีกอันสำหรับแรงดันขาออก
ออสซิลโลสโคป
แหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะ

วงจรถูกสร้างขึ้นในเขียงหั่นขนมและกำลังเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ 2.16V ในขณะที่แรงดันขาออกคือ 8.12V ซึ่งเกือบสี่เท่าของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

อย่างไรก็ตามวงจรนี้ไม่ได้ใช้โทโพโลยีป้อนกลับใด ๆ ดังนั้นแรงดันขาออกจึงไม่คงที่และไม่แยก

ความถี่และการสลับของ push-pull สังเกตได้ในออสซิลโลสโคป -

ดังนั้นตอนนี้วงจรจึงทำหน้าที่เป็นตัวแปลงบูสต์แบบกด - ดึงโดยที่แรงดันขาออกไม่คงที่ คาดว่าคอนเวอร์เตอร์แบบกดดึงนี้สามารถให้กำลังวัตต์สูงถึง 2W แต่เรายังไม่ได้ทดสอบเนื่องจากไม่มีการสร้างข้อเสนอแนะ

ข้อสรุป

วงจรนี้เป็นรูปแบบง่ายๆของตัวแปลงแบบกดดึง อย่างไรก็ตามขอแนะนำให้ใช้IC ไดรเวอร์แบบกดดึง ที่เหมาะสม สำหรับเอาต์พุตที่ต้องการเสมอ สามารถสร้างวงจรในลักษณะที่สามารถสร้างโทโพโลยีใด ๆ ในการแปลงแบบผลักดึงได้

วงจรด้านล่างนี้เป็นวงจรที่เหมาะสมของตัวแปลง DC เป็น DC แบบกด - ดึงที่ควบคุมได้ เป็นตัวแปลงแบบผลักดึง 1: 1 โดยใช้ LT3999 สำหรับอุปกรณ์อนาล็อก (Linear Technologies)

ฉันหวังว่าคุณจะชอบบทความนี้และเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ หากคุณมีคำถามเกี่ยวกับหัวข้อนี้โปรดแสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างหรือคุณสามารถโพสต์คำถามของคุณได้โดยตรงในฟอรัมของเรา