Istota przetwarzania napięć, bilans mocy i perpetuum mobile

Jako punkt wyjścia do rozważań na temat działania przetwornic DC/DC warto przyjąć jedną z najważniejszych zasad fizyki – zasadę zachowania energii. Wiesz doskonale, że każdy układ elektroniczny wymaga do działania ciągłych „dostaw” energii w postaci zasilania. Przetwornica DC/DC sama w sobie także jest układem elektronicznym, choć zdecydowaną większość energii przekazuje „dalej”, do zasilanego przez nią, docelowego układu (np. sterownika czy wzmacniacza). Z energetycznego punktu widzenia przetwornica idealna nie zużywałaby ani nie traciła podczas pracy żadnej części energii pobranej ze źródła – wtedy sprawność η, wyrażona jako stosunek energii oddanej do obciążenia (Ewy) w stosunku do energii pobranej ze źródła (Ewe) wynosiłaby:

η = (Ewy / Ewe) * 100 % = Ewe / Ewe * 100% = 100%.

W rzeczywistości zbudowanie takiej przetwornicy jest niemożliwe – z dwóch powodów:

1. wszystkie zastosowane w układach elektronicznych elementy są nieidealne, więc tracą pewną część energii, głównie w postaci ciepła, wydzielanego do otoczenia;
2. układy sterujące przetwornicy też wymagają pewnej ilości energii zasilającej; nieobciążona przetwornica także pobiera pewien prąd ze źródła zasilania.

Gdybyśmy zastosowali idealne, bezstratne układy elektroniczne w konstrukcji przetwornicy DC/DC oznaczałoby to, że nie wymagają one dopływu energii do pracy. To z kolei wprost implikowałoby powstanie… mitycznego perpetuum mobile. Niestety, tak dobrze nie jest i nigdy nie będzie – jedyne co możemy zrobić (i robimy już z całkiem dobrym efektem) jest minimalizacja strat, przez co sprawność nowoczesnych przetwornic DC/DC zbliża się często do 99% (a nawet przekracza tę wartość).

Co daje nam zastosowanie przetwornicy DC/DC?

Przetwornica DC/DC, jak sama nazwa wskazuje, ma za zadanie przetwarzanie jednego napięcia stałego na napięcie stałe o innej wartości. Zasadniczy podział przetwornic DC/DC opiera się więc na rodzaju „zamiany”. I tak wyróżniamy:

1. przetwornice podwyższające napięcie (ang. boost converter lub step-up converter),
2. przetwornice obniżające napięcie (ang. buck converter lub step-down converter),
3. przetwornice obniżająco-podwyższające napięcie (ang. buck–boost converter),
4. przetwornice odwracające polaryzację napięcia (ang. inverter lub inverting converter).

Wspomniany wcześniej bilans energii, który określa, że ilość energii dostępnej na wyjściu przetwornicy w praktyce musi być niższa, niż energia pobrana ze źródła, prowadzi do bardzo ważnych wniosków – moc dostępna na wyjściu przetwornicy jest równa:

Pwy = η * Pwe .

Skoro moc P jest równa iloczynowi prądu I i napięcia U:

P = U * I,

to wyrażenie na moc wyjściową możemy zapisać w formie:

Uwy* Iwy = η * Uwe* Iwe .

Co z tego wynika? Przetwornica podwyższająca napięcie dwukrotnie (np. z 12 V na 24 V) będzie pobierała ze źródła prąd o wartości dwukrotnie wyższej, niż prąd obciążenia. Z kolei przetwornica, która obniża napięcie, będzie pobierała prąd proporcjonalnie niższy, niż prąd obciążenia. Zawsze jednak moc pobierana będzie równa:

Pwe = Pwy / η.

Budowa przetwornicy DC/DC typu step-down

Uzbrojony w niezbędne podstawy fizyczne możesz nieco dokładniej zgłębić tajniki budowy najczęściej wykorzystywanych typów przetwornic DC/DC. Skupimy się na konwerterach typu step-up i step-down, gdyż przetwornice odwracające są stosowane nieporównanie rzadziej. Mając podstawową wiedzę na temat budowy wspomnianych dwóch odmian przetwornic, będziesz w stanie samodzielnie wykorzystywać także przetwornice buck-boost i konwertery odwracające.

Na początek weźmiemy na warsztat przetwornicę DC/DC typu buck (step-down). Uproszczony schemat klasycznej przetwornicy tego typu przedstawia poniższy rysunek (tutaj schemat przetwornicy: dławik, dioda, dwa kondensatory, klucz „stykowy”). Gdy klucz jest zwarty, prąd płynie ze źródła energii, przez dławik, do obciążenia. Odcięcie dopływu prądu powoduje, że cewka „próbuje” utrzymać poprzednie natężenie prądu, generując impuls samoindukcji. Prąd cewki płynie w obwodzie zamkniętym przez diodę, która – w pierwszej fazie cyklu spolaryzowana zaporowo – teraz zaczyna przewodzić prąd. Zmieniając stosunek czasu obu faz cyklu (czyli współczynnik wypełnienia – patrz artykuł o sterowaniu sygnałem PWM), można niemal dowolnie sterować średnią wartością napięcia wyjściowego, które – dzięki obecności sporego kondensatora – utrzymuje się w pobliżu tej wartości pomimo impulsowego charakteru sterowania kluczem.

Funkcję klucza w przetwornicach DC/DC pełni tranzystor – czasem jest to zwykły tranzystor bipolarny, choć nieporównanie lepszym wyjściem jest zastosowanie tranzystora MOSFET o niskiej rezystancji obwodu dren-źródło w stanie pełnego przewodzenia (w katalogach wartość ta jest opatrzona symbolem RDS(on)).

Budowa przetwornicy DC/DC typu step-up

Teraz przeanalizujmy nieco inny schemat przedstawiający w uproszczony sposób budowę przetwornicy podwyższającej napięcie (tutaj schemat DC/DC step-up). Jak widzisz, korzystamy tutaj dokładnie z tych samych elementów, co poprzednio – różnica polega na innym umiejscowieniu klucza i diody. Choć dławik nadal jest włączony niejako szeregowo pomiędzy wejście a wyjście układu, tym razem zwarcie klucza powoduje zamknięcie obwodu zawierającego jedynie źródło zasilania, dławik i oczywiście sam klucz. Cewka jest „ładowana” niemal pełnym prądem wejściowym przetwornicy – energia zostaje zmagazynowana w polu magnetycznym rdzenia dławika (w przetwornicach stosujemy cewki o dość dużej indukcyjności, tym większej, im niższa jest częstotliwość przełączania klucza). Otwarcie klucza powoduje, że energia cewki „wraca” do układu obciążenia poprzez szeregową diodę. Napięcie źródła sumuje się z napięciem samoindukcji – dlatego właśnie układ obciążenia „widzi” napięcie wyższe, niż napięcie wejściowe przetwornicy. I znów, stosunek czasu trwania obu faz cyklu przełączania stanowi o uzyskiwanym napięciu.

Możesz zastanawiać się, skąd układ sterujący kluczem (tranzystorem) „wie”, jaki współczynnik wypełnienia cyklu ustawić, aby uzyskać odpowiednie napięcie? Klucz do zagadki tkwi w dzielniku napięcia, który dołączamy na wyjściu przetwornicy oraz do sterownika. Układ kontrolera DC/DC porównuje napięcie wyjściowe dzielnika z wewnętrznym napięciem odniesienia i odpowiednio dostosowuje współczynnik wypełnienia sygnału sterującego kluczem (tutaj schemat którejś z przetwornic z dodanym dzielnikiem i bloczkiem sterowania tranzystorem).

Praktyczne stosowanie przetwornic DC/DC

Prawidłowe zaprojektowanie (od podstaw) stabilnej przetwornicy DC/DC o zadanych parametrach jest zadaniem wymagającym sporej wiedzy i doświadczenia. Dziś na szczęście bez trudu można kupić gotowe moduły przetwornic DC/DC o doskonałych osiągach, dzięki czemu całość przedsięwzięcia sprowadza się do odpowiedniego podłączenia czterech przewodów: dwóch wejściowych oraz dwóch wyjściowych, a także ustawienia poziomu napięcia wyjściowego (o ile moduł jest wyposażony w potencjometr regulacyjny). Przykładowe moduły przetwornic godne uwagi to:

Przetwornice step-up:

1. U3V12F12 firmy Pololu – napięcie wejściowe 2,5 – 12 V, napięcie wyjściowe: 12V, maksymalny prąd obciążenia: 1,4 A;
2. Przetwornica step-up 50W regulowana 12V-35V / 6A – solidny moduł z chłodzeniem za pomocą dwóch aluminiowych radiatorów, o napięciu wejściowym w zakresie 10-32 V;
3. NCP1402 – przetwornica step-up – 3,3V 0,2A – Pololu 2114 – miniaturowy moduł o wymiarach zaledwie 12,7 x 8,4 x 3,8 mm, obsługujący napięcia wejściowe od 0,8 V do 3,3 V.

Przetwornice step-up:

1. Przetwornica step-down LM2596 3,2V-35V 3A – jeden z najpopularniejszych modułów przetwornic o napięciu wejściowym w zakresie 3,2 – 40 V i prądzie wyjściowym do 3 A;
2. Pololu D24V22F5 – przetwornica step-down – 5V 2,5A – niewielki moduł o napięciach wejściowych 5,3 – 36 V i wymiarach 18 x 18 mm;
3. Pololu D24V150F12 – przetwornica step-down 12V 15A – bardzo wydajny moduł o napięciu wyjściowym, ustalonym fabrycznie na 12 V i prądzie maksymalnym aż 15 A.