آموزش طراحی مبدل Push Pull (مبدل DC-DC پوش پول)

وقتی نوبت به کار با الکترونیک قدرت می رسد، یک توپولوژی مبدل DC مستقیم برای طراحی های کاربردی بسیار مهم می شود. عمدتا دو نوع توپولوژی عمده تبدیل DC-DC در الکترونیک قدرت وجود دارد، یعنی مبدل سوئیچینگ و مبدل خطی.

اکنون با توجه به قانون صرفه جویی در انرژی، می دانیم که انرژی نمی تواند ایجاد شود یا از بین برود، بلکه فقط می تواند تغییر شکل دهد. همین امر در مورد رگلاتور های سوئیچینگ نیز وجود دارد، توان خروجی (وات) هر مبدل حاصل ولتاژ و جریان است، مبدل DC-DC در حالت وات ثابت، ولتاژ یا جریان را به صورت ایده آل تبدیل می کند. یک مثال آن می تواند وضعیتی باشد که خروجی 5 ولت می تواند جریان 2 آمپر تأمین کند. پیش از این ما یک مدار 5 ولت، 2 آمپر SMPS طراحی کرده ایم، شما می توانید بررسی کنید که آیا این نمونه مورد نظر شماست یا خیر.

حال شرایطی را در نظر بگیرید که برای کاربردهای خاص باید آن را به خروجی 10 ولت تغییر دهیم. حال، اگر در این مکان از مبدل DC-DC استفاده شود و 5 ولت 2 آمپر که 10 وات خروجی دارد ثابت باشد، در حالت ایده آل مبدل DC-DC ولتاژ را به 10 ولت با حد جریان 1A تبدیل می کند. این کار را می توان با استفاده از یک توپولوژی بوست سوئیچینگ انجام داد که در آن یک انداکتور سوئیچینگ به طور مداوم روشن می شود.

یکی دیگر از روش های پرهزینه اما مفید استفاده از مبدل pull-push است. مبدل pull-push امکان تبدیل بسیاری از موارد را فراهم می کند، مانند توپولوژی های Buck، Boost، Buck-Boost، ایزوله یا حتی غیر ایزوله، همچنین یکی از قدیمی ترین توپولوژی های سوئیچینگ مورد استفاده در الکترونیک قدرت است که برای تولید خروجی های متوسط ​​برق به حداقل قطعات نیاز دارد (به طور معمول 150 وات تا 500 وات) با ولتاژ خروجی چندگانه. برای تغییر ولتاژ خروجی در مدار مبدل pull-push ایزوله شده، باید سیم پیچ ترانسفورماتور را تغییر دهید.

با این حال، همه این ویژگی ها سوالات بسیاری را در ذهن ما ایجاد می کند. مانند، مبدل Push-pull چگونه کار می کند؟ چه مولفه هایی برای ساخت مدار مبدل pull -push  مهم هستند؟ بنابراین، این مطلب را بخوانید و به تمام پاسخ های لازم پی خواهیم برد و در پایان، ما یک مدار عملی برای نمایش و آزمایش خواهیم ساخت، بنابراین بیایید وارد آن شویم.

ساخت مبدل pull push

نامش جواب سوال را در خودش دارد. Push و Pull دو معنی متضاد از یک چیز دارند. معنی Push Pull در اصطلاح عامی چیست؟ فرهنگ لغت می گوید کلمه Push به معنای حرکت به جلو با استفاده از زور برای عبور مردم یا اشیا برای کنار رفتن است. در مبدل pull-push DC-DC، pushing فشار دادن جریان یا تغذیه جریان را تعریف می کند. حالا Pull یعنی چی؟ باز هم، فرهنگ لغت می گوید فشار به کسی یا چیزی که باعث حرکت آن به سمت خود شود. در مبدل pull-push، این جریان دوباره کشیده می شود.

بنابراین، مبدل pull-push نوعی مبدل سوئیچینگ است که در آن جریانات دائماً به درون چیزی رانده می شوند و دائماً از چیزی کشیده می شوند. این یک نوع ترانسفورماتور فلای بک یا یک انداکتور است. جریان به طور مداوم از ترانسفورماتور تحت فشار قرار گرفته و خارج می شود. با استفاده از این روش pull-push ، ترانسفورماتور شار را به سیم پیچ ثانویه منتقل می کند و نوعی ولتاژ ایزوله شده را فراهم می کند.

اکنون، چون این نوعی رگولاتور سوئیچینگ است، همچنین ترانسفورماتور باید به گونه ای سوئیچ شود که جریان نیاز به فشار و کشیدن همزمان داشته باشد، برای این منظور ما به نوعی رگلاتور سوئیچینگ نیاز داریم. در اینجا، یک هدایت کننده pull-push غیر همزمان لازم است. اکنون واضح است که سوئیچ ها با انواع مختلف ترانزیستور یا ماسفت ساخته می شوند.

درایورهای pull-push زیادی در بازار الکترونیک وجود دارد که می تواند بلافاصله برای کارهای مربوط به مباحث pull-push استفاده شود.

تعداد کمی از این IC های درایور را می توان در لیست زیر یافت :

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

مبدل Push-Pull چگونه کار می کند؟

برای درک اصل کار مبدل Push-Pull ، ما یک مدار اساسی ترسیم کرده ایم که یک مبدل Push-Pull نیم پل است و در زیر نشان داده شده است، برای راحتی، ما توپولوژی نیم پل را پوشانده ایم، اما یک مورد دیگر توپولوژی رایج در دسترس نیز وجود دارد، و به عنوان مبدل Push-Pull کامل پل شناخته می شود.

دو ترانزیستور NPN قابلیت Push-Pull را فراهم می کنند. دو ترانزیستور Q1 و Q2 نمی توانند به طور همزمان روشن شوند. وقتی Q1 روشن است، Q2 خاموش باقی می ماند، وقتی Q1 خاموش است، Q2 روشن می شود. این به ترتیب اتفاق خواهد افتاد و به صورت حلقه ای ادامه خواهد داشت.

تصویر بالا حالتی را نشان می دهد که Q1 روشن است و Q2 خاموش می شود. بنابراین جریان از طریق تپ میانی ترانسفورماتور عبور می کند و از طریق ترانزیستور Q1 به زمین می رود در حالی که Q2 جریان جاری در تپ دیگر ترانسفورماتور مسدود می کند. وقتی Q2 روشن شود و Q1 خاموش باقی بماند دقیقاً عکس این اتفاق پیش می آید. هر وقت تغییراتی در جریان جاری ایجاد شود، ترانسفورماتور انرژی را از سمت اصلی به طرف ثانویه منتقل می کند.

نمودار فوق برای بررسی چگونگی این اتفاق بسیار مفید است، در ابتدا ولتاژ یا جریان جاری ای در مدار وجود ندارد. Q1 روشن می شود، ولتاژ ثابت ابتدا به شیر ضربه می زند زیرا مدار اکنون بسته است. جریان شروع به افزایش می کند و سپس ولتاژ به سمت ثانویه القا می شود.

در مرحله بعدی، پس از یک تاخیر زمانی، ترانزیستور Q1 خاموش و Q2 روشن می شود. در اینجا چند نکته مهم در مورد ظرفیت خازنی ترانسفورماتور وجود دارد و اندوکتانس یک مدار LC را تشکیل می دهد که در قطب مخالف شروع به سوئیچینگ می کند. شارژ از طریق سیم پیچ دیگر تپ ترانسفورماتور شروع به برگشت در جهت مخالف می کند. در این حالت، جریان به طور مداوم توسط آن دو ترانزیستور در حالت های جایگزین تحت فشار قرار می گیرد. بهرحال، همانطور که کشش توسط مدار LC و تپ مرکزی ترانسفورماتور انجام می شود، به آن توپولوژی Push-Pull می گویند. غالباً به گونه ای توصیف می شود که دو ترانزیستور جریان را به طور متناوب تحت فشار قرار می دهند و جریان را نمی کشند. شکل موج بار مانند دندانه اره ای به نظر می رسد، اما این چیزی نیست که در شکل موج فوق نشان داده شود.

همانطور که یاد گرفتیم چگونه یک طراحی مبدل push-pull کار می کند، بیایید به ساخت یک مدار واقعی برای آن بپردازیم، و سپس می توانیم آن را روی میز کار تجزیه و تحلیل کنیم. اما قبل از آن، بیایید نگاهی به شماتیک بیندازیم.

قطعات مورد نیاز برای مبدل push pull

خوب، مدار زیر بر روی بردبورد ساخته شده است. اجزای مورد استفاده برای آزمایش مدار ها به شرح زیر است :

1. 2 عدد انداکتور با همان حد 220uH 5A انداکتور توروئیدی.
2. خازن فیلم پلی استر 0.1uF 2 – 2  pcs
3. مقاومت 1k 1٪ – 2 pcs
4. ترانزیستور جفت دارلینگتون ULN2003
5. خازن 50 ولت 100uF

مدار کاربردی مبدل Push-Pull

شماتیک کاملاً رو به جلو است. بیایید اتصال را تحلیل کنیم، ULN2003 آرایه ترانزیستور جفت دارلینگتون است. این آرایه ترانزیستور مفید است زیرا دیود های آزاد در داخل مجموعه تراشه ها موجود است و به هیچ یک از اجزای اضافی ای نیاز ندارد بنابراین از مسیریابی پیچیده اضافی در بردبورد جلوگیری می کند. برای درایور همزمان، ما از یک تایمر ساده RC استفاده می کنیم که همزمان ترانزیستورها را خاموش و روشن می کند تا یک اثر push-pull در انداکتور ها ایجاد کند.

نحوه کار مبدل کاربردی Push-Pull

کار مدار ساده است. بیایید جفت دارلینگتون را برداریم و مدار را با استفاده از دو ترانزیستور Q1 و Q2 ساده کنیم.

شبکه های RC در موقعیت متقاطع با پایه Q1 و Q2 متصل می شوند، که ترانزیستور های جایگزین را با استفاده از تکنیک بازخوردی به نام بازخورد بازتولیدی روشن می کنند.

این کار به همین صورت شروع می شود وقتی ولتاژ را به تپ مرکزی ترانسفورماتور اعمال می کنیم (جایی که اتصال مشترکی بین دو انداکتور است)، جریان از طریق ترانسفورماتور جاری می شود. بسته به چگالی شار و اشباع قطبیت، منفی یا مثبت، جریان ابتدا C1 و R1 یا C2 و R2 را شارژ می کند، نه هر دو را.  بیایید تصور کنیم C1 و R1 ابتدا جریان را بدست آورند. C1 و R1 یک تایمر می دهند که ترانزیستور Q2 را روشن می کند. بخش L2 ترانسفورماتور ولتاژ را با استفاده از شار مغناطیسی القا می کند. در این شرایط، C2 و R2 شارژ می شوند و Q1 را روشن می کنند. بخش L1 ترانسفورماتور ولتاژ را القا می کند. زمان بندی یا فرکانس کاملاً به ولتاژ ورودی، شار اشباع شده ترانسفورماتور یا انداکتور، پیچ های اولیه، سطح مقطع سانتی متر مربع هسته بستگی دارد. فرمول فرکانس بدین صورت است :

f = (Vin * 108) / (4 * βs * A * N)

در آن Vin ولتاژ ورودی است، 108 یک مقدار ثابت است، βs چگالی شار اشباع هسته است که روی ترانسفورماتور منعکس می شود، A سطح مقطع و N تعداد چرخش است.

آزمایش مدار تبدیل Push-Pull

برای آزمایش مدار، ابزار زیر لازم است :

1. دو مولتی متر – یکی برای بررسی ولتاژ ورودی و دیگری برای ولتاژ خروجی
2. یک اسیلوسکوپ
3. منبع تغذیه سکو.

مدار در یک بردبورد ساخته می شود و نیرو به آرامی افزایش می یابد. ولتاژ ورودی 2.16 ولت است در حالیکه ولتاژ خروجی 8.12 ولت است که این تقریبا چهار برابر ولتاژ ورودی است.

با این حال، این مدار از هیچ توپولوژی بازخوردی استفاده نمی کند، بنابراین ولتاژ خروجی نه ثابت است و نه ایزوله.

فرکانس و سوئیچینگ push-pull در اسیلوسکوپ مشاهده می شود :

بنابراین مدار در حال حاضر به عنوان یک مبدل بوست push-pull عمل می کند که در آن ولتاژ خروجی ثابت نیست. پیش بینی می شود که این مبدل push-pull می تواند تا 2 وات قدرت داشته باشد، اما ما به دلیل عدم تولید بازخورد آن را آزمایش نکرده ایم.

نتیجه

این مدار یک شکل ساده از مبدل push-pull است. با این حال، همیشه توصیه می شود برای خروجی مورد نظر از IC درایور push-pull مناسب استفاده کنید. مدار می تواند به روشی ساخته شود که در آن ایزوله یا غیر ایزوله باشد، می توان هر توپولوژی را در تبدیل فشار فشار ساخت.

مدار زیر یک مدار مناسب از مبدل DC به DC push-pull کنترل شده است. این یک مبدل push-pull 1:1 با استفاده از LT3999 برای دستگاه های آنالوگ (تکنولوژی های خطی) است.

امیدوارم مقاله را پسندیده باشید و چیز جدیدی آموخته باشید، در صورت داشتن هرگونه سوالی در این زمینه در قسمت پایین نظر دهید، یا می توانید سوالات خود را مستقیماً به انجمن ما ارسال کنید.