Тұрақты токтан тұрақты токқа түрлендіргіштер

Кіріспе

Электрондық схеманың түрі

DC-DC түрлендіргіш – бір тұрақты ток (DC) көзін бір кернеу деңгейінен екінші деңгейге түрлендіретін электрондық схема немесе электромеханикалық құрылғы. Бұл электр қуатын түрлендіргіштің бір түрі. Қуат деңгейі өте төмен (шағын батареялар) және өте жоғары (жоғары кернеулі қуат желісі) аралығында болуы мүмкін.

Тарих

Қуатты жартылай өткізгіштердің дамуына дейін, тұрақты ток көзінің кернеуін жоғары кернеуге айналдырудың бір жолы, төмен қуатты қолданыстар үшін, вибраторды пайдаланып айнымалы токқа түрлендіру, содан кейін көтеру трансформаторы және соңында түзеткіш болды. Жоғары қуат қажет болған жағдайларда, көбінесе электр қозғалтқышы генераторды қозғалтатын мотор-генератор жиынтығы қолданылды, ол қажетті кернеуді өндіретін. (Мотор мен генератор жеке құрылғылар болуы мүмкін, немесе олар сыртқы қуат білігі жоқ бір "динамотор" жиынтығына біріктірілуі мүмкін.) Бұл салыстырмалы түрде тиімсіз және қымбат конструкциялар тек балама болмаған кезде ғана қолданылды, мысалы, көлік радиосын қуаттандыру үшін (ол кезде 6 немесе 12 вольт автомобиль аккумуляторынан қол жетімді кернеуден гөрі жоғары кернеуді қажет ететін термиондық клапандар (түтіктер) қолданылды). 1976 жылға қарай транзисторлық автомобиль радио қабылдағыштары жоғары кернеуді қажет етпесе де, кейбір әуесқой радио операторлары транзисторлық қуат көздері болғанмен, жоғары кернеуді қажет ететін мобильдік қабылдағыштар үшін вибраторлық қуат көздерін және динамоторларды пайдалануды жалғастырды. Жоғары кернеуден төмен кернеуді сызықтық реттегішпен немесе тіпті резистормен алуға болса да, бұл әдістер артық энергияны жылу ретінде шығарып жіберді; энергияны тиімді түрлендіру тек қатты күйдегі импульстік схемалармен ғана мүмкін болды.

Қолданылуы

DC-DC түрлендіргіштері негізінен батареядан қуат алатын ұялы телефондар мен ноутбук компьютерлері сияқты портативті электрондық құрылғыларда қолданылады. Мұндай электрондық құрылғыларда көбінесе бірнеше қосалқы тізбектер болады, олардың әрқайсысының кернеу деңгейі талаптары батареядан немесе сыртқы қуат көзінен (кейде қуат көзі кернеуінен жоғары немесе төмен) өзгеше болады. Сонымен қатар, батареяның кернеуі оның сақталған энергиясы азайғанда төмендейді. Қосулы DC-DC түрлендіргіштері батарея кернеуінің ішінара төмендеуінен кернеуді көтеру әдісін ұсынады, осылайша бірдей нәтижені алу үшін бірнеше батарея қолданудың орнына орын үнемдейді. Көптеген DC-DC түрлендіргіш тізбектері шығыс кернеуін де реттейді. Кейбір ерекшеліктерге жоғары тиімділіктегі LED қуат көздері жатады, олар LED арқылы токты реттейтін DC-DC түрлендіргіштер және шығыс кернеуін екі есе немесе үш есеге арттыратын қарапайым зарядтағыштар болып табылады. Фотоэлектрлік жүйелер мен жел турбиналары үшін энергияны барынша жинауға арналған DC-DC түрлендіргіштері қуаттылықты оптимизаторлар деп аталады. 50-60 Гц желілік жиіліктерде кернеуді түрлендіру үшін қолданылатын трансформаторлар бірнеше ватттан асатын қуат үшін үлкен және ауыр болуы керек. Бұл оларды қымбатқа соқтырады және олар орамаларында энергия жоғалтуға және өзектеріндегі еді токтардың әсеріне ұшырайды. Трансформаторларды немесе индукторларды пайдаланатын DC-DC техникалары әлдеқайда жоғары жиіліктерде жұмыс істейді, тек кішірек, жеңіл және арзан оралған компоненттерді қажет етеді. Осының салдарынан бұл техникалар желілік трансформаторды қолдануға болатын жағдайларда да қолданылады; мысалы, тұрмыстық электрондық құрылғылар үшін желілік кернеуді DC-ге түзету, оны қажетті кернеуде жоғары жиілікті AC-ге түрлендіру үшін коммутациялық режимдегі техникаларды қолдану, содан кейін, әдетте, DC-ге түзету тиімді. Барлық күрделі тізбек сол шығыс қуатындағы қарапайым желілік трансформатор тізбегіне қарағанда арзан және тиімді. DC-DC түрлендіргіштері әртүрлі кернеу деңгейлерінде DC микрожелілік қолданбаларда кеңінен қолданылады.

DC to DC converters are used in portable electronic devices such as cellular phones and laptop computers, which are supplied with power from batteries primarily. Such electronic devices often contain several sub circuits, each with its own voltage level requirement different from that supplied by the battery or an external supply (sometimes higher or lower than the supply voltage). Additionally, the battery voltage declines as its stored energy is drained. Switched DC to DC converters offer a method to increase voltage from a partially lowered battery voltage thereby saving space instead of using multiple batteries to accomplish the same thing. Most DC to DC converter circuits also regulate the output voltage. Some exceptions include high efficiency LED power sources, which are a kind of DC to DC converter that regulates the current through the LEDs, and simple charge pumps which double or triple the output voltage. DC to DC converters which are designed to maximize the energy harvest for photovoltaic systems and for wind turbines are called power optimizers. Transformers used for voltage conversion at mains frequencies of 50–60 Hz must be large and heavy for powers exceeding a few watts. This makes them expensive, and they are subject to energy losses in their windings and due to eddy currents in their cores. DC to DC techniques that use transformers or inductors work at much higher frequencies, requiring only much smaller, lighter, and cheaper wound components. Consequently these techniques are used even where a mains transformer could be used; for example, for domestic electronic appliances it is preferable to rectify mains voltage to DC, use switch mode techniques to convert it to high frequency AC at the desired voltage, then, usually, rectify to DC. The entire complex circuit is cheaper and more efficient than a simple mains transformer circuit of the same output. DC to DC converters are widely used for DC microgrid applications, in the context of different voltage levels.

Электрондық түрлендіру

Коммутациялық түрлендіргіштер немесе коммутациялық режимдегі тұрақты токтан тұрақты токқа түрлендіргіштер кіріс энергиясын уақытша сақтайды, содан кейін осы энергияны жоғары немесе төмен болуы мүмкін, басқа кернеуде шығаруға жібереді. Энергия сақтау магниттік өріс сақтау компоненттерінде (индукторлар, трансформаторлар) немесе электр өрісі сақтау компоненттерінде (конденсаторлар) жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл түрлендіру әдісі кернеуді арттыруға немесе азайтуға мүмкіндік береді. Коммутациялық түрлендіру көбінесе сызықтық кернеуді реттеуге қарағанда тиімдірек болады (әдеттегі тиімділік 75%-дан 98%-ға дейін), ол қажетсіз қуатты жылу ретінде таратып жатады. Тиімділік үшін жылдам жартылай өткізгіш құрылғыларының жоғарылау және төмендеу уақыты қажет; алайда, осы жылдам өтулер тізбек дизайнын қиындататын орналасудың паразиттік әсерлерімен біріктіріледі. Коммутациялық режимдегі түрлендіргіштің жоғары тиімділігі қажетті жылуды азайтады және портативті құрылғылардың батареясының қызмет ету мерзімін ұзартады. 1980-ші жылдардың соңынан бері қуатты FET-терді қолдану арқасында тиімділік жақсарды, олар қуатты биполярлық транзисторларға қарағанда жоғары жиіліктерде төменгі шығындармен тиімдірек ауыса алады және аз күрделі басқару схемасын қолданады. DC-DC түрлендіргіштеріндегі тағы бір маңызды жақсарту – флайбек диодын қуатты FET-ті пайдалана отырып, синхронды түзетумен алмастыру, оның "ішкі кедерісі" әлдеқайда төмен, коммутациялық шығындарды азайтады. Қуатты жартылай өткізгіштер кеңінен қол жетімді болғанға дейін, төмен қуатты DC-DC синхронды түрлендіргіштері электрмеханикалық вибратордан, содан кейін кернеуді жоғарылату трансформаторынан, вакуумдық түтік немесе жартылай өткізгіш түзеткішпен қуатталатын немесе вибратордағы синхронды түзеткіш контактілерінен тұрды. Көптеген DC-DC түрлендіргіштері тек бір бағытта, арнайы кірістен шығысқа дейін қуатты жылжыту үшін жасалған. Алайда, барлық коммутациялық реттегіш топологияларын екі бағытты және барлық диодтарды тәуелсіз басқарылатын белсенді түзетумен алмастыру арқылы екі бағытта да қуатты жылжыта алатын етіп жасауға болады. Екі бағытты түрлендіргіш, мысалы, көлік құралдарын регенеративті тежеуді қажет ететін қолданбаларда пайдалы, онда қозғалыс кезінде дөңгелектерге қуат беріледі, бірақ тежеу кезінде дөңгелектер қуатты қайтарады. Компоненттері аз болса да, коммутациялық түрлендіргіштер электронды жағынан күрделі. Барлық жоғары жиілікті тізбектер сияқты, олардың компоненттері тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз ету және қосқыш шуын (EMI / RFI) қабылданатын деңгейде ұстау үшін мұқият сипатталуы және физикалық орналасуы керек. Кернеуді төмендетуге қолданылатын сызықтық реттегіштерге қарағанда олардың құны жоғарырақ, бірақ чиптер дизайнының жетістіктеріне байланысты олардың құны төмендеп келеді. DC-DC түрлендіргіштері интегралдық схемалар (IC) ретінде қол жетімді, олар үшін қосымша компоненттердің қажеті жоқ. Түрлендіргіштер электронды құрастыруда пайдалануға дайын толық гибридтік схема модульдері ретінде де қол жетімді. Кіріс кернеуіне және шығыс жүктемесіне тәуелсіз тұрақты тұрақты ток шығару үшін пайдаланылатын сызықтық реттегіштерді артық вольт-амперлерді жылу ретінде таратып, жоғарырақ, бірақ тұрақсыз кірістен тұрақты тұрақты ток шығару үшін пайдалануға болады, бірақ бұл әдеттегі қолданыс емес. (Осыны қарапайым кернеуді төмендетуге арналған резистор туралы да айтуға болады, ол келесі кернеуді реттегіш немесе Зенер диодымен тұрақтандырылған немесе тұрақтандырылмаған.) Сондай-ақ, диодтар мен конденсаторларды пайдаланатын, DC кернеуін бүтін санға көбейтетін, әдетте тек кішкентай ток беретін қарапайым емдік кернеуді екі еселеуші және Диксон көбейтуші тізбектері бар.

Switching converters or switched mode DC to DC converters store the input energy temporarily and then release that energy to the output at a different voltage, which may be higher or lower. The storage may be in either magnetic field storage components (inductors, transformers) or electric field storage components (capacitors). This conversion method can increase or decrease voltage. Switching conversion is often more power efficient (typical efficiency is 75% to 98%) than linear voltage regulation, which dissipates unwanted power as heat. Fast semiconductor device rise and fall times are required for efficiency; however, these fast transitions combine with layout parasitic effects to make circuit design challenging. The higher efficiency of a switched mode converter reduces the heatsinking needed, and increases battery endurance of portable equipment. Efficiency has improved since the late 1980s due to the use of power FETs, which are able to switch more efficiently with lower Schaltverluste at higher frequencies than power bipolar transistors, and use less complex drive circuitry. Another important improvement in DC DC converters is replacing the flyback diode with synchronous rectification using a power FET, whose "on resistance" is much lower, reducing switching losses. Before the wide availability of power semiconductors, low power DC to DC synchronous converters consisted of an electro mechanical vibrator followed by a voltage step up transformer feeding a vacuum tube or semiconductor rectifier, or synchronous rectifier contacts on the vibrator. Most DC to DC converters are designed to move power in only one direction, from dedicated input to output. However, all switching regulator topologies can be made bidirectional and able to move power in either direction by replacing all diodes with independently controlled active rectification. A bidirectional converter is useful, for example, in applications requiring regenerative braking of vehicles, where power is supplied to the wheels while driving, but supplied by the wheels when braking. Although they require few components, switching converters are electronically complex. Like all high frequency circuits, their components must be carefully specified and physically arranged to achieve stable operation and to keep switching noise (EMI / RFI) at acceptable levels. Their cost is higher than linear regulators in voltage dropping applications, but their cost has been decreasing with advances in chip design. DC to DC converters are available as integrated circuits (ICs) requiring few additional components. Converters are also available as complete hybrid circuit modules, ready for use within an electronic assembly. Linear regulators which are used to output a stable DC independent of input voltage and output load from a higher but less stable input by dissipating excess volt amperes as heat, could be described literally as DC to DC converters, but this is not usual usage. (The same could be said of a simple voltage dropper resistor, whether or not stabilised by a following voltage regulator or Zener diode.) There are also simple capacitive voltage doubler and Dickson multiplier circuits using diodes and capacitors to multiply a DC voltage by an integer value, typically delivering only a small current.

Қуаттылығы

Коммутациялық конденсаторлы түрлендіргіштер конденсаторларды әртүрлі топологиядағы кіріс және шығысқа кезекпен қосуға негізделген. Мысалы, конденсаторды төмендетуші түрлендіргіш екі конденсаторды тізбектей зарядтауы және оларды параллель түйірге разрядтауы мүмкін. Бұл, идеал жағдайда, кіріс кернеуінің жартысы және ток күшінің екі еселенген мөлшерінде, бірдей шығыс қуатын (100% тиімділіктен жоғалғаннан аз) береді. Олар дискретті заряд мөлшерімен жұмыс істейтіндіктен, кейде оларды зарядтық сорғы түрлендіргіштер деп те атайды. Олар көбінесе салыстырмалы түрде аз ток қажет болатын қолдануларда қолданылады, себебі жоғары ток күші кезінде коммутациялық түрлендіргіштердің артық тиімділігі мен кішірек көлемі оларды тиімдірек таңдау жасайды. Олар сондай-ақ өте жоғары кернеуде де қолданылады, өйткені мұндай кернеуде магниттік элементтер бұзылуы мүмкін.

Электромеханикалық түрлендіру

Мотор-генератор жиынтығы, көбінесе тарихи қызығушылық тудырады, электр қозғалтқышы мен генератордан тұрады. Динамикатор екі функцияны да бір құрылғыда біріктіреді, мотор және генератор функциялары үшін орамдар бір ротордың айналасына оралған; екі орам да бірдей сыртқы өріс орамдарымен немесе магниттермен бөліседі. дағдарыс және үзіліс.