Com dissenyar un convertidor push pull: teoria bàsica, construcció i demostració

A l’hora de treballar amb l’electrònica de potència, la topologia d’un convertidor CC-CC esdevé molt crucial per als dissenys pràctics. Hi ha principalment dos tipus de topologies principals de conversió DC-DC disponibles en electrònica de potència, a saber, el convertidor de commutació i el convertidor lineal.

Ara, per la llei de conservació de l'energia, sabem que l'energia no es pot crear ni destruir, sinó que només es pot transformar. El mateix passa amb els reguladors de commutació, la potència de sortida (potència) de qualsevol convertidor és el producte de la tensió i el corrent, un convertidor DC-DC converteix idealment el voltatge o el corrent mentre la potència és constant. Un exemple podria ser la situació en què una sortida de 5V podria proporcionar 2A de corrent. Anteriorment hem dissenyat un circuit SMPS de 5 V, 2 A, que podeu comprovar si és allò que esteu buscant.

Ara considerem una situació en què hem de canviar-la per una sortida de 10V per a una aplicació específica. Ara bé, si s’utilitza un convertidor DC-DC en aquest lloc i el 5V 2A que és una sortida de 10W és constant, l’ideal seria que el convertidor DC-DC converteixi el voltatge a 10V amb una corrent nominal de 1A. Això es pot fer mitjançant una topologia de commutació d’impulsió en què un inductor de commutació es commuta constantment.

Un altre mètode costós però útil és utilitzar un convertidor push-pull. Un convertidor push-pull obre moltes possibilitats de conversió, com ara topologies Buck, Boost, Buck-Boost, aïllades o fins i tot no aïllades, també és una de les topologies de commutació més antigues utilitzades en electrònica de potència que requereixen components mínims per produir sortides de potència mitjanes (normalment de 150W a 500W) amb tensió de sortida múltiple. Cal canviar el bobinatge del transformador per canviar la tensió de sortida en un circuit convertidor aïllat push-pull.

Tot i això, totes aquestes característiques ens plantegen moltes preguntes. Com funciona un convertidor Push-pull? Quins components són importants per construir un circuit convertidor push-pull? Per tant, seguiu llegint i descobrirem totes les respostes necessàries i, al final, construirem un circuit pràctic per a la demostració i les proves, així que anem-hi directament.

Construcció d’un convertidor Push-Pull

El nom té la resposta. Push and Pull tenen dos significats oposats del mateix. Quin significat té Push-Pull en termes propis? El diccionari diu que la paraula push significa avançar fent servir la força per passar persones o objectes per apartar-se. En un convertidor DC-DC push-pull, l’empenta defineix empènyer el corrent o alimentar el corrent. Ara, què significa tirar? De nou, el diccionari diu que cal exercir força sobre algú o alguna cosa per provocar moviment cap a un mateix. Al convertidor push-pull, torna a ser el corrent que s’està tirant.

Per tant, un convertidor push-pull és un tipus de convertidor de commutació on els corrents són constantment empesos cap a alguna cosa i constantment extrets d’alguna cosa. Es tracta d’un tipus de transformador flyback o un inductor. El corrent és empès i extret constantment del transformador. Mitjançant aquest mètode push-pull, el transformador transfereix flux a la bobina secundària i proporciona algun tipus de voltatge aïllat.

Ara, com que es tracta d’un tipus de regulador de commutació, també ja que el transformador ha de canviar-se de manera que s’hagi d’empènyer i tirar el corrent de manera sincronitzada, per això necessitem algun tipus de regulador de commutació. Aquí es requereix un controlador push-pull asíncron. Ara, és obvi que els commutadors es fan amb diferents tipus de transistors o Mosfets.

Hi ha molts controladors push-pull disponibles al mercat de l'electrònica que es poden utilitzar immediatament per a treballs relacionats amb la conversa push-pull.

Pocs d'aquests IC de controlador es poden trobar a la llista següent:

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

Com funciona un convertidor Push Pull?

Per entendre el principi de funcionament del convertidor push-pull, hem dibuixat un circuit bàsic que és un convertidor push-pull bàsic de mig pont i que es mostra a continuació, per simplificar, hem tractat la topologia de mig pont, però hi ha una altra topologia comuna disponible, que es coneix com a convertidor push-pull de pont complet.

Dos transistors NPN permetran la funcionalitat push-pull. Els dos transistors Q1 i Q2 no es poden activar alhora. Quan el Q1 està activat, el Q2 romandrà apagat, quan el Q1 estigui apagat, el Q2 s’encendrà. Passarà de manera seqüencial i continuarà com un bucle.

Com podem veure, el circuit anterior utilitza un transformador, es tracta d’un convertidor push-pull aïllat.

La imatge anterior mostra l'estat on està activat el Q1 i el Q2 s'apagarà. Així, el corrent fluirà a través de l'aixeta central del transformador i anirà a terra a través del transistor Q1, mentre que el Q2 bloquejarà el flux de corrent a l'altra presa del transformador. Exactament el contrari passa quan el Q2 s'encén i el Q1 roman apagat. Sempre que es produeixen els canvis en el flux de corrent, el transformador transfereix l’energia del costat primari al costat secundari.

El gràfic anterior és molt útil per comprovar com passa això, al principi no hi havia voltatges ni flux de corrent al circuit. Q1 activat, un voltatge constant primer cop a l’aixeta ja que el circuit està tancat ara. El corrent comença a augmentar i la tensió s’indueix al costat secundari.

A la següent fase, després d’un retard de temps, el transistor Q1 s’apaga i s’activa Q2. Aquí apareixen algunes coses importants: la capacitat paràsita del transformador i la inductància formen un circuit LC que comença a canviar en polaritat oposada. La càrrega comença a fluir de nou en la direcció oposada a través de l’altre bobinatge del transformador. D’aquesta manera, aquests dos transistors empenyen el corrent constantment en modes alternatius. Tanmateix, com que el tiratge es realitza mitjançant el circuit LC i l’aixeta central del transformador, s’anomena topologia push-pull. Sovint es descriu de manera que els dos transistors empenyen el corrent alternativament anomenant la convenció push-pull on els transistors no treuen el corrent. La forma d'ona de càrrega s'assembla a la dent de serra, però no és la que es mostra a la forma d'ona anterior.

A mesura que hem après com funciona el disseny d'un convertidor push-pull, anem a construir un circuit real per a això i després ho podem analitzar a la banqueta. Abans, però, fem una ullada a l’esquema.

Components necessaris per construir un convertidor Push Pull pràctic

Bé, el circuit següent es construeix sobre una taula de treball. Els components que s’utilitzen per provar circuits són els següents:

1. 2 inductors amb la mateixa qualificació: inductor toroidal 220uH 5A.
2. Condensador de pel·lícula de polièster 0,1uF - 2 unitats
3. 1k resistència 1% - 2 unitats
4. ULN2003 Transistor parell Darlington
5. Condensador 100uF 50V

Un pràctic diagrama de circuits del convertidor push-pull

L’esquema és força senzill. Analitzem la connexió, l'ULN2003 és la matriu de transistors de parells de Darlington. Aquesta matriu de transistors és útil ja que els díodes de roda lliure estan disponibles dins del chipset i no requereix cap component addicional evitant així cap enrutament complex addicional en una placa de control. Per al controlador síncron, fem servir un temporitzador RC senzill que activarà i apagarà els transistors de manera sincrònica per crear un efecte push-pull a través dels inductors.

Pràctic convertidor Push-Pull: funciona

El funcionament del circuit és senzill. Eliminem el parell de Darlington i fem que el circuit sigui senzill mitjançant dos transistors Q1 i Q2.

Les xarxes RC estan connectades en posició creuada amb la base de Q1 i Q2, que activen els transistors alternatius mitjançant una tècnica de retroalimentació anomenada regeneració regenerativa.

Comença a funcionar així: quan apliquem tensió a l’aixeta central del transformador (on hi ha la connexió comuna entre dos inductors), el corrent fluirà a través del transformador. Depenent de la densitat de flux i la saturació de la polaritat, negativa o positiva, el corrent primer carrega C1 i R1 o C2 i R2, no tots dos. Imaginem que C1 i R1 aconsegueixen primer el corrent. El C1 i el R1 proporcionen un temporitzador que encén el transistor Q2. La secció L2 del transformador induirà tensió mitjançant el flux magnètic. En aquesta situació, el C2 i el R2 comencen a carregar-se i encenen el Q1. La secció L1 del transformador indueix llavors una tensió. El temps o la freqüència depèn totalment de la tensió d'entrada, del flux saturat del transformador o inductor, dels girs primaris, de la secció transversal de l'àrea del centímetre quadrat del nucli.La fórmula de la freqüència és

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

On Vin és la tensió d’entrada, 10 ⁸ és un valor constant, β _s és la densitat de flux saturat del nucli que es reflectirà al transformador, A és l’àrea de la secció transversal i N és el nombre de voltes.

Prova del circuit del convertidor Push Pull

Per provar el circuit, calen les eines següents:

1. Dos mil·límetres: un per comprovar la tensió d'entrada i un altre per a la tensió de sortida
2. Un oscil·loscopi
3. Una font d'alimentació de banc.

El circuit es construeix en una taula de treball i la potència augmenta lentament. El voltatge d’entrada és de 2,16 V mentre que el voltatge de sortida és de 8,12 V, que és gairebé quatre vegades el voltatge d’entrada.

No obstant això, aquest circuit no utilitza cap topologia de retroalimentació, de manera que la tensió de sortida no és constant ni aïllada.

La freqüència i el canvi del push-pull s’observen a l’oscil·loscopi.

Així, el circuit actua ara com un convertidor d’impulsió push-pull on la tensió de sortida no és constant. S'espera que aquest convertidor push-pull pugui proporcionar potència de fins a 2 W, però no l'hem provat a causa de la manca de generació de retroalimentació.

Conclusions

Aquest circuit és una forma senzilla del convertidor push-pull. Tot i això, sempre es recomana utilitzar un IC de controlador push-pull adequat per a la sortida desitjada. El circuit es pot construir de manera aïllada o no aïllada, es poden construir qualsevol topologia de conversió push-pull.

El següent circuit és un circuit adequat de convertidor de CC a CC de tipus push-pull. És un convertidor push-pull 1: 1 que utilitza LT3999 per a dispositius analògics (tecnologies lineals).

Espero que us hagi agradat l'article i hàgiu après alguna cosa nova si teniu cap pregunta sobre aquest tema, feu un comentari a continuació o podeu publicar la vostra pregunta directament al nostre fòrum.