Comment concevoir un convertisseur push-pull - théorie de base, construction et démonstration

Lorsqu'il s'agit de travailler avec l'électronique de puissance, une topologie de convertisseur CC-CC devient très cruciale pour les conceptions pratiques. Il existe principalement deux types de topologies de conversion CC-CC majeures disponibles en électronique de puissance, à savoir le convertisseur à découpage et le convertisseur linéaire.

Maintenant, à partir de la loi de conservation de l'énergie, nous savons que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut seulement être transformée. Il en va de même pour les régulateurs à découpage, la puissance de sortie (wattage) de tout convertisseur est le produit de la tension et du courant, un convertisseur DC-DC convertit idéalement la tension, ou le courant alors que la puissance est constante. Un exemple pourrait être la situation où une sortie 5V pourrait fournir 2A de courant. Auparavant, nous avons conçu un circuit SMPS 5V, 2A, vous pouvez le vérifier si c'est quelque chose que vous recherchez.

Considérons maintenant une situation où nous devons le changer en une sortie 10V pour une application spécifique. Maintenant, si un convertisseur DC-DC est utilisé à cet endroit et que la sortie 5V 2A qui est de 10W est constante, idéalement, le convertisseur DC-DC convertira la tension en 10V avec un courant nominal de 1A. Cela peut être fait en utilisant une topologie de commutation boost où un inducteur de commutation est constamment commuté.

Une autre méthode coûteuse mais utile consiste à utiliser un convertisseur push-pull. Un convertisseur push-pull ouvre de nombreuses possibilités de conversion, telles que des topologies Buck, Boost, Buck-Boost, isolées ou même non isolées, c'est également l'une des plus anciennes topologies de commutation utilisées dans l'électronique de puissance qui nécessite un minimum de composants pour produire sorties de puissance moyenne (généralement - 150 W à 500 W) avec plusieurs tensions de sortie. Il faut changer l'enroulement du transformateur pour changer la tension de sortie dans un circuit convertisseur push-pull isolé.

Cependant, toutes ces caractéristiques posent de nombreuses questions dans nos esprits. Par exemple, comment fonctionne un convertisseur Push-pull? Quels composants sont importants pour construire un circuit convertisseur push-pull? Alors, lisez le long et nous trouverons toutes les réponses nécessaires et à la fin, nous allons construire un circuit pratique pour la démonstration et les tests, alors allons-y droit.

Construction d'un convertisseur push-pull

Le nom a la réponse. Push et Pull ont deux significations opposées de la même chose. Quelle est la signification de Push-Pull en termes simples? Le dictionnaire dit que le mot pousser signifie avancer en utilisant la force pour passer des personnes ou des objets à écarter. Dans un convertisseur DC-DC push-pull, la poussée définit la poussée du courant ou l'alimentation du courant. Maintenant, que signifie pull? Encore une fois, le dictionnaire dit d'exercer une force sur quelqu'un ou quelque chose pour provoquer un mouvement vers soi-même. Dans le convertisseur push-pull, c'est à nouveau le courant qui est tiré.

Ainsi, un convertisseur push-pull est un type de convertisseur de commutation où les courants sont constamment poussés dans quelque chose et constamment tirés de quelque chose. Il s'agit d'un type de transformateur flyback ou d'un inducteur. Le courant est constamment poussé et tiré du transformateur. En utilisant cette méthode push-pull, le transformateur transfère le flux à la bobine secondaire et fournit une sorte de tension isolée.

Maintenant, comme il s'agit d'un type de régulateur de commutation, le transformateur doit également être commuté de telle sorte que le courant doit être poussé et tiré de manière synchrone, pour cela, nous avons besoin d'une sorte de régulateur de commutation. Ici, un pilote push-pull asynchrone est requis. Maintenant, il est évident que les commutateurs sont fabriqués avec différents types de transistors ou de mosfets.

Il existe de nombreux pilotes push-pull disponibles sur le marché de l'électronique qui peuvent être utilisés immédiatement pour le travail lié aux conversations push-pull.

Peu de circuits intégrés de pilote de ce type se trouvent dans la liste ci-dessous.

LT3999
MAX258
MAX13253
LT3439
TL494

Comment fonctionne un convertisseur push pull?

Pour comprendre le principe de fonctionnement du convertisseur push-pull, nous avons dessiné un circuit de base qui est un convertisseur push-pull de base en demi-pont, et il est illustré ci-dessous, par souci de simplicité, nous avons couvert la topologie en demi-pont, mais il existe une autre topologie commune disponible, connue sous le nom de convertisseur push-pull à pont complet.

Deux transistors NPN activeront la fonctionnalité push-pull. Les deux transistors Q1 et Q2 ne peuvent pas être activés en même temps. Lorsque le Q1 est allumé, le Q2 restera éteint, lorsque le Q1 est éteint, le Q2 s'allumera. Cela se produira séquentiellement et continuera comme une boucle.

Comme nous pouvons le voir, le circuit ci-dessus utilise un transformateur, il s'agit d'un convertisseur push-pull isolé.

L'image ci-dessus montre l'état dans lequel le Q1 est allumé et le Q2 s'éteint. Ainsi, le courant passera à travers la prise centrale du transformateur et ira à la terre via le transistor Q1 tandis que le Q2 bloquera la circulation du courant sur l'autre prise du transformateur. C'est exactement le contraire qui se produit lorsque le Q2 s'allume et que Q1 reste éteint. Chaque fois que les changements dans le flux de courant se produisent, le transformateur transfère l'énergie du côté primaire au côté secondaire.

Le graphique ci-dessus est très utile pour vérifier comment cela se produit, au début, il n'y avait pas de tension ou de courant dans le circuit. Q1 allumé, une tension constante frappe d'abord le robinet alors que le circuit est maintenant fermé. Le courant commence à augmenter, puis la tension est induite dans le côté secondaire.

Dans la phase suivante, après une temporisation, le transistor Q1 se bloque et Q2 est rendu passant. Voici quelques éléments importants au travail - la capacité parasite du transformateur et l'inductance forment un circuit LC qui commence à commuter en polarité opposée. La charge commence à refluer dans la direction opposée à travers l'autre enroulement de prise du transformateur. De cette manière, le courant est constamment poussé dans des modes alternés par ces deux transistors. Cependant, comme le tirage est effectué par le circuit LC et la prise centrale du transformateur, on parle de topologie push-pull. Il est souvent décrit de telle manière que les deux transistors poussent le courant alternativement en nommant la convention push-pull où les transistors ne tirent pas le courant. La forme d'onde de charge ressemble à la dent de scie, cependant, ce n'est pas ce qui est montré dans la forme d'onde ci-dessus.

Comme nous avons appris comment fonctionne la conception d'un convertisseur push-pull, passons à la construction d'un circuit réel pour cela, puis nous pouvons l'analyser sur le banc. Mais avant cela, jetons un coup d'œil au schéma.

Composants requis pour construire un convertisseur push pull pratique

Eh bien, le circuit ci-dessous est construit sur une maquette. Les composants utilisés pour tester les circuits sont les suivants:

Inducteurs 2 Pcs ayant la même puissance - inducteur toroïdal 220uH 5A.
Condensateur à film polyester 0,1 uF - 2 pièces
Résistance 1k 1% - 2 pcs
Transistor à paire Darlington ULN2003
Condensateur 100uF 50V

Un schéma de circuit pratique du convertisseur push-pull

Le schéma est assez simple. Analysons la connexion, l'ULN2003 est le réseau de transistors à paires Darlington. Cette matrice de transistors est utile car les diodes de roue libre sont disponibles à l'intérieur du chipset et ne nécessite aucun composant supplémentaire, évitant ainsi tout routage complexe supplémentaire sur une maquette. Pour le pilote synchrone, nous utilisons une simple minuterie RC qui allumera et éteindra de manière synchrone les transistors pour créer un effet push-pull à travers les inducteurs.

Convertisseur push-pull pratique - Fonctionnement

Le fonctionnement du circuit est simple. Supprimons la paire Darlington et simplifions le circuit en utilisant deux transistors Q1 et Q2.

Les réseaux RC sont connectés en position croisée avec la base de Q1 et Q2, qui activent les transistors alternatifs en utilisant une technique de rétroaction appelée rétroaction régénérative.

Il commence à fonctionner comme ceci - Lorsque nous appliquons une tension à la prise centrale du transformateur (où la connexion commune entre deux inducteurs), le courant passera à travers le transformateur. En fonction de la densité de flux et de la saturation de la polarité, négative ou positive, le courant charge d'abord C1 et R1 ou C2 et R2, pas les deux. Imaginons que C1 et R1 obtiennent le courant en premier. Les C1 et R1 fournissent une minuterie qui active le transistor Q2. La section L2 du transformateur induira une tension en utilisant le flux magnétique. Dans cette situation, le C2 et le R2 commencent à se charger et allument le Q1. La section L1 du transformateur induit alors une tension. La synchronisation ou la fréquence dépend entièrement de la tension d'entrée, du flux saturé du transformateur ou de l'inducteur, des spires primaires, de la section transversale du centimètre carré du noyau.La formule de la fréquence est-

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

Où Vin est la tension d'entrée, 10 ⁸ est une valeur constante, β _s est la densité de flux saturée du noyau qui sera réfléchie sur le transformateur, A est la section transversale et N est le nombre de tours.

Test du circuit du convertisseur push-pull

Pour tester le circuit, les outils suivants sont nécessaires:

Deux millimètres - un pour vérifier la tension d'entrée et un autre pour la tension de sortie
Un oscilloscope
Une alimentation de banc.

Le circuit est construit dans une maquette et la puissance est lentement augmentée. La tension d'entrée est de 2,16 V tandis que la tension de sortie est de 8,12 V, soit près de quatre fois la tension d'entrée.

Cependant, ce circuit n'utilise aucune topologie de rétroaction, de sorte que la tension de sortie n'est ni constante ni isolée.

La fréquence et la commutation du push-pull sont observées dans l'oscilloscope-

Ainsi, le circuit agit maintenant comme un convertisseur élévateur push-pull où la tension de sortie n'est pas constante. On s'attend à ce que ce convertisseur push-pull puisse fournir une puissance allant jusqu'à 2W, mais nous ne l'avons pas testé en raison du manque de génération de rétroaction.

Conclusions

Ce circuit est une forme simple du convertisseur push-pull. Cependant, il est toujours recommandé d'utiliser un circuit intégré de pilote push-pull approprié pour la sortie souhaitée. Le circuit peut être construit de manière isolée ou non isolée, toutes les topologies de conversion push-pull peuvent être construites.

Le circuit ci-dessous est un circuit approprié de convertisseur CC-CC push-pull contrôlé. Il s'agit d'un convertisseur push-pull 1: 1 utilisant le LT3999 pour Analog Devices (Linear Technologies).

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