Wie man einen Gegentaktwandler entwirft - grundlegende Theorie, Konstruktion und Demonstration

Wenn es um die Arbeit mit Leistungselektronik geht, wird eine DC-DC-Wandlertopologie für praktische Konstruktionen sehr wichtig. In der Leistungselektronik sind hauptsächlich zwei Arten von Haupt-DC / DC-Wandlungstopologien verfügbar, nämlich der Schaltwandler und der Linearwandler.

Aus dem Gesetz der Energieerhaltung wissen wir nun, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern nur umgewandelt werden kann. Gleiches gilt für Schaltregler. Die Ausgangsleistung (Watt) eines Wandlers ist das Produkt aus Spannung und Strom. Ein DC-DC-Wandler wandelt idealerweise die Spannung oder den Strom um, während die Leistung konstant ist. Ein Beispiel könnte die Situation sein, in der ein 5-V-Ausgang 2A Strom liefern könnte. Zuvor haben wir eine 5V, 2A SMPS-Schaltung entwickelt. Sie können dies überprüfen, wenn Sie danach suchen.

Stellen Sie sich nun eine Situation vor, in der wir sie für eine bestimmte Anwendung auf einen 10-V-Ausgang ändern müssen. Wenn an dieser Stelle ein DC-DC-Wandler verwendet wird und die 5V 2A mit einer Leistung von 10W konstant sind, wandelt der DC-DC-Wandler die Spannung idealerweise in 10V mit einer Nennstromstärke von 1A um. Dies kann unter Verwendung einer Boost-Schalttopologie erfolgen, bei der ein Schaltinduktor ständig geschaltet wird.

Eine andere kostspielige, aber nützliche Methode ist die Verwendung eines Gegentaktwandlers. Ein Gegentaktwandler eröffnet viele Umwandlungsmöglichkeiten, wie Buck-, Boost-, Buck-Boost-, isolierte oder sogar nicht isolierte Topologien. Er ist auch eine der ältesten Schalttopologien in der Leistungselektronik, für deren Herstellung nur minimale Komponenten erforderlich sind Mittlere Ausgangsleistung (normalerweise - 150 W bis 500 W) mit mehrfacher Ausgangsspannung. Man muss die Transformatorwicklung ändern, um die Ausgangsspannung in einer isolierten Gegentaktwandlerschaltung zu ändern.

All diese Funktionen werfen jedoch viele Fragen in unseren Köpfen auf. Wie funktioniert ein Gegentaktwandler? Welche Komponenten sind wichtig, um eine Gegentaktwandlerschaltung aufzubauen? Lesen Sie also mit und wir werden alle notwendigen Antworten herausfinden. Am Ende werden wir eine praktische Schaltung für Demonstrationen und Tests aufbauen. Lassen Sie uns also gleich loslegen.

Bau eines Gegentaktwandlers

Der Name hat die Antwort. Push und Pull haben zwei entgegengesetzte Bedeutungen derselben Sache. Was bedeutet Push-Pull für Laien? Das Wörterbuch sagt, dass das Wort Push bedeutet, sich vorwärts zu bewegen, indem man Gewalt anwendet, um Personen oder Gegenstände zur Seite zu bewegen. In einem Push-Pull-DC-DC-Wandler definiert der Push das Drücken des Stroms oder das Zuführen des Stroms. Was bedeutet nun Ziehen? Wieder sagt das Wörterbuch, dass man Gewalt auf jemanden oder etwas ausüben soll, um sich selbst zu bewegen. Im Gegentaktwandler wird wieder der Strom gezogen.

Ein Gegentaktwandler ist somit eine Art Schaltwandler, bei dem Ströme ständig in etwas hineingeschoben und ständig aus etwas herausgezogen werden. Dies ist eine Art Rücklauftransformator oder eine Induktivität. Der Strom wird ständig vom Transformator gedrückt und gezogen. Bei Verwendung dieser Gegentaktmethode überträgt der Transformator den Fluss zur Sekundärspule und liefert eine Art isolierte Spannung.

Da dies nun eine Art Schaltregler ist, muss auch der Transformator so geschaltet werden, dass der Strom synchron gedrückt und gezogen werden muss, dafür benötigen wir eine Art Schaltregler. Hier ist ein asynchroner Push-Pull-Treiber erforderlich. Nun ist es offensichtlich, dass die Schalter mit verschiedenen Arten von Transistoren oder Mosfets hergestellt werden.

Auf dem Elektronikmarkt gibt es viele Push-Pull-Treiber, die sofort für Push-Pull-Konversationsarbeiten verwendet werden können.

Nur wenige solcher Treiber-ICs finden Sie in der folgenden Liste.

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

Wie funktioniert ein Gegentaktwandler?

Um das Funktionsprinzip des Gegentaktwandlers zu verstehen, haben wir eine Grundschaltung gezeichnet, die ein grundlegender Halbbrücken-Gegentaktwandler ist. Der Einfachheit halber haben wir nachfolgend die Halbbrückentopologie behandelt. Es gibt jedoch eine andere gängige Topologie, die als Vollbrücken-Gegentaktwandler bezeichnet wird.

Zwei NPN-Transistoren ermöglichen die Push-Pull-Funktionalität. Die beiden Transistoren Q1 und Q2 können nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Wenn der Q1 eingeschaltet ist, bleibt der Q2 ausgeschaltet, wenn der Q1 ausgeschaltet ist, wird der Q2 eingeschaltet. Dies geschieht nacheinander und wird als Schleife fortgesetzt.

Wie wir sehen können, verwendet die obige Schaltung einen Transformator, dies ist ein isolierter Gegentaktwandler.

Das obige Bild zeigt den Zustand, in dem der Q1 eingeschaltet und der Q2 ausgeschaltet wird. Somit fließt der Strom durch den Mittelabgriff des Transformators und geht über den Transistor Q1 zur Erde, während der Q2 den Stromfluss auf dem anderen Abgriff des Transformators blockiert. Genau das Gegenteil passiert, wenn sich Q2 einschaltet und Q1 ausgeschaltet bleibt. Immer wenn sich der Stromfluss ändert, überträgt der Transformator die Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite.

Das obige Diagramm ist sehr nützlich, um zu überprüfen, wie dies geschieht. Zunächst gab es keine Spannungen oder Stromflüsse im Stromkreis. Q1 eingeschaltet, eine konstante Spannung trifft zuerst auf den Abgriff, wenn der Stromkreis jetzt geschlossen wird. Der Strom beginnt anzusteigen und dann wird die Spannung in die Sekundärseite induziert.

In der nächsten Phase wird nach einer Zeitverzögerung der Transistor Q1 ausgeschaltet und Q2 eingeschaltet. Hier kommen einige wichtige Dinge bei der Arbeit - die parasitäre Kapazität des Transformators und die Induktivität bilden eine LC-Schaltung, die mit entgegengesetzter Polarität zu schalten beginnt. Die Ladung beginnt durch die andere Stufenwicklung des Transformators in die entgegengesetzte Richtung zurückzufließen. Auf diese Weise wird der Strom von diesen beiden Transistoren ständig in alternativen Modi gedrückt. Da das Ziehen jedoch durch die LC-Schaltung und den Mittelabgriff des Transformators erfolgt, wird dies als Push-Pull-Topologie bezeichnet. Oft wird es so beschrieben, dass die beiden Transistoren den Strom abwechselnd drücken, wobei die Konvention Push-Pull genannt wird, bei der Transistoren den Strom nicht ziehen. Die Lastwellenform sieht aus wie der Sägezahn, ist jedoch nicht in der obigen Wellenform dargestellt.

Nachdem wir gelernt haben, wie ein Push-Pull-Wandler-Design funktioniert, bauen wir nun eine tatsächliche Schaltung dafür auf und können diese dann auf der Bank analysieren. Aber schauen wir uns vorher den Schaltplan an.

Komponenten, die für den Bau eines praktischen Push-Pull-Konverters erforderlich sind

Nun, die folgende Schaltung ist auf einem Steckbrett aufgebaut. Die zum Testen von Schaltungen verwendeten Komponenten sind wie folgt:

1. 2 Stk. Induktivitäten mit gleicher Nennleistung - 220uH 5A Toroidinduktor.
2. 0,1 uF Polyesterfolienkondensator - 2 Stk
3. 1k Widerstand 1% - 2 Stck
4. ULN2003 Darlington-Paartransistor
5. 100uF 50V Kondensator

Ein praktischer Schaltplan für Gegentaktwandler

Der Schaltplan ist ziemlich einfach. Lassen Sie uns die Verbindung analysieren, der ULN2003 ist das Darlington-Paar-Transistor-Array. Dieses Transistorarray ist nützlich, da die Freilaufdioden im Chipsatz verfügbar sind und keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind, wodurch ein zusätzliches komplexes Routing auf einem Steckbrett vermieden wird. Für den Synchron-Treiber verwenden wir einen einfachen RC-Timer, der die Transistoren synchron ein- und ausschaltet, um einen Push-Pull-Effekt über die Induktoren zu erzeugen.

Praktischer Gegentaktwandler - Arbeiten

Die Arbeitsweise der Schaltung ist einfach. Entfernen wir das Darlington-Paar und vereinfachen die Schaltung mit zwei Transistoren Q1 und Q2.

Die RC-Netzwerke sind in einer Kreuzposition mit der Basis von Q1 und Q2 verbunden, die die alternativen Transistoren unter Verwendung einer Rückkopplungstechnik einschalten, die als regenerative Rückkopplung bezeichnet wird.

Es beginnt so zu arbeiten - Wenn wir Spannung an den Mittelabgriff des Transformators anlegen (wo die gemeinsame Verbindung zwischen zwei Induktivitäten besteht), fließt der Strom durch den Transformator. Abhängig von der Flussdichte und der Sättigung der Polarität, negativ oder positiv, lädt der Strom zuerst C1 und R1 oder C2 und R2 auf, nicht beide. Stellen wir uns vor, C1 und R1 erhalten zuerst den Strom. C1 und R1 stellen einen Zeitgeber bereit, der den Transistor Q2 einschaltet. Der L2-Abschnitt des Transformators induziert unter Verwendung des Magnetflusses eine Spannung. In dieser Situation beginnen sich C2 und R2 aufzuladen und Q1 einzuschalten. Der L1-Abschnitt des Transformators induziert dann eine Spannung. Der Zeitpunkt oder die Frequenz hängen vollständig von der Eingangsspannung, dem gesättigten Fluss des Transformators oder der Induktivität, den Primärwindungen und der Querschnittsfläche des Quadratzentimeters ab.Die Formel der Frequenz lautet:

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

Wobei Vin die Eingangsspannung ist, 10 ⁸ ein konstanter Wert ist, β _s die gesättigte Flussdichte des Kerns ist, die auf dem Transformator reflektiert wird, A die Querschnittsfläche ist und N die Anzahl der Windungen ist.

Testen der Push-Pull-Wandlerschaltung

Zum Testen der Schaltung sind die folgenden Werkzeuge erforderlich:

1. Zwei Millimeter - einer zur Überprüfung der Eingangsspannung und einer zur Überprüfung der Ausgangsspannung
2. Ein Oszilloskop
3. Eine Tischstromversorgung.

Die Schaltung besteht aus einem Steckbrett und die Leistung wird langsam erhöht. Die Eingangsspannung beträgt 2,16 V, während die Ausgangsspannung 8,12 V beträgt, was fast dem Vierfachen der Eingangsspannung entspricht.

Diese Schaltung verwendet jedoch keine Rückkopplungstopologie, so dass die Ausgangsspannung nicht konstant und auch nicht isoliert ist.

Die Frequenz und das Umschalten des Gegentakts wird im Oszilloskop beobachtet.

Somit wirkt die Schaltung jetzt als Gegentakt-Aufwärtswandler, bei dem die Ausgangsspannung nicht konstant ist. Es wird erwartet, dass dieser Gegentaktwandler eine Leistung von bis zu 2 W liefern kann, aber wir haben ihn aufgrund der fehlenden Rückkopplungserzeugung nicht getestet.

Schlussfolgerungen

Diese Schaltung ist eine einfache Form des Gegentaktwandlers. Es wird jedoch immer empfohlen, einen geeigneten Push-Pull-Treiber- IC für den gewünschten Ausgang zu verwenden. Die Schaltung kann so aufgebaut sein, dass isolierte oder nicht isolierte Topologien bei der Push-Pull-Umwandlung aufgebaut werden können.

Die folgende Schaltung ist eine geeignete Schaltung eines gesteuerten Gegentakt-DC / DC-Wandlers. Es handelt sich um einen 1: 1-Gegentaktwandler mit LT3999 für analoge Geräte (Linear Technologies).

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