Como projetar um conversor push pull - teoria básica, construção e demonstração

Quando se trata de trabalhar com eletrônica de potência, uma topologia de conversor DC-DC torna-se crucial para projetos práticos. Existem basicamente dois tipos principais de topologias de conversão DC-DC disponíveis na eletrônica de potência, a saber, o conversor de comutação e o conversor linear.

Agora, pela lei da conservação da energia, sabemos que a energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas pode ser transformada. O mesmo vale para reguladores de chaveamento, a potência de saída (wattagem) de qualquer conversor é o produto da tensão e da corrente, um conversor DC-DC converte idealmente a tensão, ou a corrente, enquanto a wattagem é constante. Um exemplo pode ser a situação em que uma saída de 5 V pode fornecer 2 A de corrente. Anteriormente, projetamos um circuito SMPS 5V, 2A, você pode verificar se é algo que você está procurando.

Agora, considere uma situação em que precisamos alterá-lo para uma saída de 10 V para uma aplicação específica. Agora, se um conversor DC-DC for usado neste local, e o 5V 2A, que é a saída de 10W, for constante, o ideal é que o conversor DC-DC converterá a tensão para 10V com uma classificação de corrente de 1A. Isso pode ser feito usando uma topologia de comutação de reforço onde um indutor de comutação é constantemente comutado.

Outro método caro, mas útil, é usar um conversor push-pull. Um conversor push-pull abre muitas possibilidades de conversão, como Buck, Boost, Buck-Boost, topologias isoladas ou mesmo não isoladas, também é uma das topologias de chaveamento mais antigas usadas em eletrônica de potência que requer componentes mínimos para produzir saídas de potência média (normalmente - 150W a 500W) com tensão de saída múltipla. É necessário alterar o enrolamento do transformador para alterar a tensão de saída em um circuito conversor push-pull isolado.

No entanto, todos esses recursos colocam muitas questões em nossas mentes. Tipo, como funciona um conversor Push-pull? Quais componentes são importantes para construir um circuito conversor push-pull? Então, leia e descobriremos todas as respostas necessárias e, no final, estaremos construindo um circuito prático para demonstração e teste, então vamos direto ao assunto.

Construção de um conversor push-pull

O nome tem a resposta. Empurrar e Puxar têm dois significados opostos da mesma coisa. Qual é o significado de Push-Pull em termos leigos? O dicionário está dizendo que a palavra empurrar significa avançar usando a força para passar pessoas ou objetos para se mover para o lado. Em um conversor DC-DC push-pull, o push define o impulso da corrente ou a alimentação da corrente. Agora, o que significa puxar? Novamente, o dicionário diz para exercer força sobre alguém ou algo para causar um movimento em direção a si mesmo. No conversor push-pull, é novamente a corrente que está sendo puxada.

Assim, um conversor push-pull é um tipo de conversor de comutação onde as correntes são constantemente empurradas para algo e constantemente puxadas de algo. Este é um tipo de transformador flyback ou indutor. A corrente é constantemente empurrada e puxada do transformador. Usando este método push-pull, o transformador transfere o fluxo para a bobina secundária e fornece algum tipo de tensão isolada.

Agora, como se trata de um tipo de regulador de chaveamento, também como o transformador precisa ser chaveado de forma que a corrente seja empurrada e puxada de forma síncrona, para isso precisamos de algum tipo de regulador de chaveamento. Aqui, um driver push-pull assíncrono é necessário. Agora, é óbvio que as chaves são feitas com diferentes tipos de transistores ou Mosfets.

Existem muitos drivers push-pull disponíveis no mercado de eletrônicos que podem ser usados ​​imediatamente para trabalhos relacionados a conversas push-pull.

Poucos desses drivers ICs podem ser encontrados na lista abaixo -

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

Como funciona um conversor push-pull?

Para entender o princípio de funcionamento do conversor push-pull, desenhamos um circuito básico que é um conversor push-pull básico de meia ponte, e é mostrado abaixo, por uma questão de simplicidade, cobrimos a topologia de meia-ponte, mas há outra topologia comum disponível, conhecida como conversor push-pull de ponte completa.

Dois transistores NPN habilitarão a funcionalidade push-pull. Os dois transistores Q1 e Q2 não podem ser ligados ao mesmo tempo. Quando o Q1 for ligado, o Q2 permanecerá desligado, quando o Q1 for desligado, o Q2 será ligado. Isso acontecerá sequencialmente e continuará como um loop.

Como podemos ver, o circuito acima usa um transformador, este é um conversor push-pull isolado.

A imagem acima está mostrando o estado em que Q1 está ligado e o Q2 desligará. Assim, a corrente fluirá pela derivação central do transformador e irá para o solo por meio do transistor Q1, enquanto o Q2 bloqueará o fluxo de corrente na outra derivação do transformador. Exatamente o oposto acontece quando o Q2 liga e o Q1 permanece desligado. Sempre que ocorrem mudanças no fluxo de corrente, o transformador transfere a energia do lado primário para o lado secundário.

O gráfico acima é muito útil para verificar como isso ocorre, a princípio não havia tensões ou fluxo de corrente no circuito. Q1 ligado, uma voltagem constante primeiro atinge a torneira, pois o circuito está fechado agora. A corrente começa a aumentar e então a tensão é induzida no lado secundário.

Na fase seguinte, após um intervalo de tempo, o transistor Q1 desliga e Q2 é ligado. Aí vêm algumas coisas importantes em ação - a capacitância parasita do transformador e a indutância formam um circuito LC que começa a alternar na polaridade oposta. A carga começa a fluir de volta na direção oposta através do outro enrolamento de derivação do transformador. Desta forma, a corrente é constantemente empurrada em modos alternados por esses dois transistores. Porém, como a tração é feita pelo circuito LC e pela derivação central do transformador, é chamada de topologia push-pull. Freqüentemente, é descrito de tal forma que os dois transistores empurram a corrente alternadamente, nomeando a convenção push-pull onde os transistores não puxam a corrente. A forma de onda de carga se parece com o dente de serra, entretanto, não é o que é mostrado na forma de onda acima.

Como aprendemos como funciona o projeto de um conversor push-pull, vamos prosseguir para a construção de um circuito real para ele, e então podemos analisá-lo na bancada. Mas antes disso, vamos dar uma olhada no esquema.

Componentes necessários para construir um conversor push-pull prático

Bem, o circuito abaixo é construído em uma placa de ensaio. Os componentes usados ​​para testar os circuitos são os seguintes-

1. 2 indutores Pcs com a mesma classificação - 220uH 5A indutor toroidal.
2. Capacitor de filme de poliéster 0,1uF - 2 pcs
3. 1k resistor 1% - 2 pcs
4. ULN2003 transistor de par Darlington
5. Capacitor 100uF 50V

Um diagrama prático de circuito do conversor Push-Pull

O esquema é bastante simples. Vamos analisar a conexão, o ULN2003 é o conjunto de transistores de pares Darlington. Este conjunto de transistores é útil porque os diodos de roda livre estão disponíveis dentro do chipset e não requer nenhum componente adicional, evitando assim qualquer roteamento complexo adicional em uma placa de ensaio. Para o driver síncrono, estamos usando um temporizador RC simples que liga e desliga os transistores de maneira síncrona para criar um efeito push-pull nos indutores.

Conversor Push-Pull prático - Funcionando

O funcionamento do circuito é simples. Vamos remover o par Darlington e simplificar o circuito usando dois transistores Q1 e Q2.

As redes RC são conectadas em uma posição cruzada com a base de Q1 e Q2, que ligam os transistores alternativos usando uma técnica de feedback chamada feedback regenerativo.

Ele começa a operar assim - Quando aplicamos tensão na derivação central do transformador (onde é a conexão comum entre dois indutores), a corrente fluirá pelo transformador. Dependendo da densidade do fluxo e da saturação da polaridade, negativa ou positiva, a corrente primeiro carrega C1 e R1 ou C2 e R2, não ambos. Vamos imaginar C1 e R1 obterem a corrente primeiro. O C1 e o R1 fornecem um temporizador que liga o transistor Q2. A seção L2 do transformador irá induzir tensão usando o fluxo magnético. Nesta situação, o C2 e o R2 começam a carregar e ligam o Q1. A seção L1 do transformador induz então uma tensão. O tempo ou a frequência depende inteiramente da tensão de entrada, do fluxo saturado do transformador ou indutor, das voltas primárias, da área de um centímetro quadrado da seção transversal do núcleo.A fórmula da frequência é-

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

Onde Vin é a tensão de entrada, 10 ⁸ é um valor constante, β _s é a densidade de fluxo saturado do núcleo que será refletido no transformador, A é a área da seção transversal e N é o número de voltas.

Testando o Circuito do Conversor Push Pull

Para testar o circuito, as seguintes ferramentas são necessárias-

1. Dois milímetros - um para verificar a tensão de entrada e outro para a tensão de saída
2. Um Osciloscópio
3. Uma fonte de alimentação de bancada.

O circuito é construído em uma placa de ensaio e a potência é aumentada lentamente. A tensão de entrada é 2,16 V, enquanto a tensão de saída é 8,12 V, que é quase quatro vezes a tensão de entrada.

No entanto, este circuito não usa nenhuma topologia de realimentação, portanto a tensão de saída não é constante e nem isolada.

A frequência e a comutação do push-pull são observadas no osciloscópio-

Assim, o circuito agora está agindo como um conversor push-pull boost onde a tensão de saída não é constante. Espera-se que este conversor push-pull possa fornecer potência de até 2W, mas não o testamos devido à falta de geração de feedback.

Conclusões

Este circuito é uma forma simples de conversor push-pull. No entanto, é sempre recomendado usar um IC de driver push-pull apropriado para a saída desejada. O circuito pode ser construído de forma isolada ou não isolada, qualquer topologia de conversão push-pull pode ser construída.

O circuito abaixo é um circuito adequado de conversor DC para DC push-pull controlado. É um conversor push-pull 1: 1 usando LT3999 para dispositivos analógicos (tecnologias lineares).

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