DC-DC dönüştürücü nedir

DC-DC çevirici , DC doğru akım kaynağını bir voltaj seviyesinden diğerine dönüştüren bir elektronik devre veya elektromekanik bir cihazdır. Bir tür elektrik gücü dönüştürücüsüdür . Güç seviyeleri çok düşük (akü, pil) ile çok yüksek (yüksek voltajlı güç aktarımı) arasındadır.

Güç, yarı iletkenleri ve diğer teknolojiler geliştirilmeden önce, düşük güç uygulamaları için bir DC kaynağının voltajını daha yüksek bir voltaja dönüştürmenin bir yolu, bunu bir vibratör , ardından bir yükseltici transformatör kullanarak AC’ye dönüştürmekti.

Daha yüksek güç için, istenen voltajdaki bir jeneratörü tahrik etmek için bir elektrik motoru kullanıldı (bazen tek bir “dinamotor” ünitesinde birleştirildi). Bunlar, bir araç radyosuna güç vermek için yalnızca alternatif olmadığında kullanılan (daha sonra 6v veya 12V’luk bir otomobil aküsünden daha yüksek voltaj gerektiren termiyonik valfler / tüpler) kullanılan verimsiz ve pahalı prosedürlerdir.

Güç yarı iletkenlerinin ve tümleşik devrelerin (entegreler) piyasaya sürülmesi, örneğin DC güç kaynağını yüksek frekanslı AC’ye dönüştürmek, trafoyu kullanmak için bir transformatör – küçük, hafif ve ucuz olması nedeniyle ekonomik olarak uygulanabilir hale getirmiştir. frekans — voltajı değiştirmek ve tekrar DC’ye düzeltmek için. 1976’ya kadar transistörlü araba radyo alıcıları yüksek voltaj gerektirmese de, bazı amatör radyo operatörleri, transistörlü güç kaynakları mevcut olmasına rağmen, yüksek voltaj gerektiren mobil alıcı-vericiler için vibratör malzemeleri ve dinamotorlar kullanmaya devam etti.

Doğrusal bir elektronik devre ve hatta bir direnç ile daha yüksek bir voltajdan daha düşük bir voltaj elde etmek mümkün olsa da, bu yöntemler fazlalığı ısı olarak yayar; Enerji tasarruflu dönüşüm ancak katı hal anahtar modlu devrelerde mümkün oldu.

DC’den DC’ye dönüştürücüler, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi birincil olarak pillerden güç sağlanan taşınabilir elektronik aygıtlarda kullanılır. Bu tür elektronik cihazlar genellikle, her biri batarya veya harici besleme tarafından sağlanandan farklı olarak kendi voltaj seviyesi gereksinimi olan (bazen besleme geriliminden daha yüksek veya daha düşük) farklı alt devreler içerir. Ek olarak, depolanan enerji boşaldıkça batarya voltajı azalır. Anahtarlamalı DC’den DC’ye dönüştürücüler, voltajı kısmen düşürülmüş bir akü voltajından artırmak için bir yöntem sunar, böylece aynı şeyi gerçekleştirmek için birden fazla akü kullanmak yerine aküden tasarruf sağlar.

Çoğu DC-DC dönüştürücü devreleri çıkış gerilimini düzenler. Bazı istisnalar arasında, LED üzerinden akımı düzenleyen bir tür DC-DC dönüştürücü olan yüksek verimli LED güç kaynakları ve çıkış voltajını iki veya üç katına çıkaran basit şarj pompaları bulunur.

Fotovoltaik sistemler ve rüzgar türbinleri için enerjiyi en üst düzeye çıkarmak için geliştirilen DC’den DC’ye dönüştürücülere güç iyileştiricileri denir.

50-60 Hz şebeke frekanslarında voltaj dönüşümü için kullanılan transformatörler, birkaç watt’ı aşan güçler için büyük ve ağır olmalıdır. Bu onları pahalı yapar ve sargılarındaki ve çekirdeklerindeki girdap akımlarından dolayı enerji kaybına maruz kalırlar. Transformatör veya indüktör kullanan DC-DC teknikleri, sadece daha küçük, daha hafif ve daha ucuz yara bileşenleri gerektiren çok daha yüksek frekanslarda çalışır. Sonuç olarak, bu teknikler bir şebeke trafosunun kullanılabileceği yerlerde bile kullanılır; örneğin, ev tipi elektronik cihazlar için, şebeke gerilimini DC’ye düzeltmek tercih edilir, anahtarlama mod tekniklerini, istenen gerilimde yüksek frekanslı AC’ye dönüştürmek için kullanın, daha sonra genellikle DC’ye düzeltilir. Tüm karmaşık devre, aynı çıkışın basit bir şebeke trafo devresinden daha ucuz ve daha verimlidir.

Elektronik dönüşüm

Pratik elektronik dönüştürücüler, anahtarlama tekniklerini kullanır. Anahtarlamalı DC-DC dönüştürücüler, giriş enerjisini geçici olarak depolayarak ve sonra bu enerjiyi farklı bir voltajda çıkışa çevirerek bir DC voltaj seviyesini diğerine dönüştürür, daha yüksek veya daha düşük olabilir. Depolama, manyetik alan depolama bileşenlerinde (indüktörler, transformatörler) veya elektrik alan depolama bileşenlerinde (kapasitörler) olabilir. Bu dönüştürme yöntemi voltajı artırabilir veya azaltabilir. Anahtarlama dönüşümü, istenmeyen gücü ısı olarak dağıtan lineer voltaj düzenlemesine göre genellikle daha verimlidir (tipik verimlilik% 75 ila% 98’dir). Hızlı yarı iletken cihaz yükselme ve düşme süreleri verimlilik için gereklidir; ancak, bu hızlı geçişler devre tasarımını zorlaştırmak için düzen parazit etkileriyle birleşir.

Anahtarlamalı bir dönüştürücünün daha yüksek verimi, gereken ısı emiciliğini azaltır ve taşınabilir ekipmanın pil ömrünü arttırır. 1980’lerin sonlarından bu yana, güç bipolar transistörlerden daha yüksek frekanslarda daha düşük anahtarlama kayıpları ile daha verimli bir şekilde anahtarlama yapabilen ve daha az karmaşık tahrik devresi kullanan güç FET’lerinin kullanılması nedeniyle verimlilik artmıştır. DC-DC dönüştürücülerindeki bir diğer önemli gelişme, “direnç konusunda” çok daha düşük olan anahtarlama kayıplarını azaltan bir güç FET’i kullanarak volan diyodunu senkronize ile değiştirmektir. Güç yarı iletkenlerinin geniş mevcudiyetinden önce, düşük güçlü DC-DC senkron dönüştürücüler, bir elektro-mekanik vibratörden ve ardından bir vakum tüpünü ya da yarı iletken redresörünü besleyen bir voltaj yükseltici transformatörden ya da vibratör üzerindeki senkron doğrultucu temaslarından oluşuyordu.

Çoğu DC-DC dönüştürücü, gücü yalnızca girişden çıkışa yalnızca bir yönde taşımak için tasarlanmıştır. Bununla birlikte, tüm anahtarlama regülatörleri topolojileri iki yönlü yapılabilir ve tüm diyotları bağımsız olarak kontrol edilen aktif düzeltme ile değiştirerek her iki yönde de gücü hareket ettirebilir. İki yönlü bir dönüştürücü, örneğin araç sürerken tekerleklere güç sağlayan, ancak fren yaparken tekerlekler tarafından sağlanan araçların rejeneratif frenlemesi gerektiren uygulamalarda kullanışlıdır.

Birkaç bileşen gerektirmesine rağmen, anahtarlama dönüştürücüleri elektronik olarak karmaşıktır. Tüm yüksek frekans devrelerinde olduğu gibi, bileşenlerin kararlı çalışmasını sağlamak ve anahtarlama sesini ( EMI / RFI ) kabul edilebilir seviyelerde tutmak için dikkatli bir şekilde belirtilmesi ve fiziksel olarak düzenlenmesi gerekir [7] . Gerilimi düşüren uygulamalarda maliyetleri doğrusal regülatörlerden daha yüksektir, ancak talaş tasarımındaki ilerlemeler ile maliyetleri düşmektedir.

DC-DC dönüştürücüler, birkaç ek bileşen gerektiren entegre devreler olarak bulunur, ayrıca elektronik montajda kullanıma hazır komple hibrit devre modülleri olarak da mevcuttur.

Aşırı volt-amperleri ısı olarak dağıtarak giriş voltajından ve çıkış yükünden bağımsız olarak daha yüksek fakat daha az kararlı bir girişten bağımsız bir DC üretmek için kullanılan doğrusal regülatörler , kelimenin tam anlamıyla DC-DC dönüştürücüler olarak tanımlanabilir, ancak bu normal değildir. kullanımı. (Aynı şey, voltaj regülatörü veya Zener diyotu ile stabilize edilmiş olsun veya olmasın, basit bir voltaj düşürme direnci için de söylenebilir.)

Ayrıca, basit bir kapasitif voltaj çiftleyicisi ve bir DC voltajını bir tamsayı değeriyle çarpmak için tipik olarak sadece küçük bir akım sağlayan diyotlar ve kapasitörler kullanan Dickson multiplier devreleri de vardır.

Bu DC-DC dönüştürücülerinde, enerji periyodik olarak bir indüktör veya bir transformatördeki bir manyetik alan içerisinde periyodik olarak depolanır ve serbest bırakılır, tipik olarak 300 kHz ila 10 MHz frekans aralığındadır. Şarj geriliminin görev döngüsünü ayarlayarak (yani açma / kapama zamanlarının oranı), bir yüke aktarılan güç miktarı daha kolay kontrol edilebilir, ancak bu kontrol giriş akımına da uygulanabilir. çıkış akımı veya sabit güç sağlamak için. Trafo tabanlı dönüştürücüler, giriş ve çıkış arasında izolasyon sağlayabilir. Genel olarak, DC-DC dönüştürücü terimi, bu anahtarlama dönüştürücülerinden birini ifade eder. Bu devreler, anahtarlamalı bir güç kaynağının kalbidir. Birçok topoloji var.

Step-down düşürücü : Çıkış voltajının giriş voltajından düşük olduğu bir dc dc dönüştürücü

Step-up Yükseltici: Giriş voltajından daha yüksek bir voltaj veren bir dc dc dönüştürücü

Continuous current mode Sürekli akım modu: Akım ve dolayısıyla endüktif enerji deposundaki manyetik alan asla sıfıra ulaşmaz.

Discontinuous current mode Süreksiz akım modu: Akım ve dolayısıyla endüktif enerji deposundaki manyetik alan sıfıra ulaşabilir veya bu değeri geçebilir.

Rf gürültü

Anahtarlama dönüştürücüler doğal olarak anahtarlama frekansında ve harmoniklerinde radyo dalgaları yayar. Sürekli akım modunda Split-Pi , ileri dönüştürücü veya converteruk dönüştürücü gibi üçgen anahtarlama akımı üreten dönüştürücüler , diğer anahtarlama dönüştürücülerinden daha az harmonik gürültü üretir. RF gürültüsü elektromanyetik girişime (EMI) neden olur. Kabul edilebilir seviyeler gereksinimlere bağlıdır, örneğin RF devresine yakınlık, sadece düzenleme yönetmeliklerinden daha fazla bastırmaya ihtiyaç duyar.

Giriş gürültüsü

Giriş voltajı ihmal edilemez bir sese sahip olabilir. Ek olarak, dönüştürücü girişi keskin yük kenarlarıyla yüklüyorsa, dönüştürücü güç besleme hatlarından RF gürültüsü yayabilir. Bu, konvertörün giriş aşamasında uygun filtreleme ile önlenmelidir.

Çıkış gürültüsü

İdeal bir DC-DC dönüştürücünün çıkışı düz, sabit bir çıkış voltajıdır. Ancak, gerçek dönüştürücüler üzerine bir miktar elektriksel gürültü ekleyen bir DC çıkışı üretir. Anahtarlama dönüştürücüleri anahtarlama frekansında ve bunun harmoniklerinde anahtarlama gürültüsü oluşturur. Ek olarak, tüm elektronik devrelerde bazı termal gürültüler var . Bazı hassas radyo frekansı ve analog devreler, yalnızca doğrusal bir regülatör tarafından sağlanabilecek kadar az gürültülü bir güç kaynağı gerektirir. Göreceli olarak düşük gürültülü bir güç kaynağı gerektiren bazı analog devreler, daha az gürültülü anahtarlamalı çeviricilerin bazılarına tolerans gösterebilir, örneğin kare dalgalar yerine sürekli üçgen dalga formları kullanarak.

Kaynak: https://en.wikipedia.org