Cómo diseñar un convertidor push-pull: teoría básica, construcción y demostración

Cuando se trata de trabajar con electrónica de potencia, la topología de un convertidor CC-CC se vuelve crucial para diseños prácticos. Hay principalmente dos tipos de topologías de conversión CC-CC principales disponibles en la electrónica de potencia, a saber, el convertidor de conmutación y el convertidor lineal.

Ahora bien, de la ley de conservación de la energía, sabemos que la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede transformar. Lo mismo ocurre con los reguladores de conmutación, la potencia de salida (vataje) de cualquier convertidor es el producto del voltaje y la corriente, un convertidor CC-CC idealmente convierte el voltaje o la corriente mientras el vataje es constante. Un ejemplo podría ser la situación en la que una salida de 5 V podría proporcionar 2 A de corriente. Anteriormente hemos diseñado un circuito SMPS de 5 V y 2 A, puede comprobarlo si es algo que está buscando.

Ahora considere una situación en la que necesitamos cambiarlo a una salida de 10 V para una aplicación específica. Ahora, si se usa un convertidor DC-DC en este lugar, y la salida de 5V 2A que es de 10W es constante, idealmente el convertidor DC-DC convertirá el Voltaje a 10V con una clasificación de corriente de 1A. Esto se puede hacer utilizando una topología de conmutación de refuerzo en la que un inductor de conmutación se conmuta constantemente.

Otro método costoso pero útil es utilizar un convertidor push-pull. Un convertidor push-pull abre muchas posibilidades de conversión, como Buck, Boost, Buck-Boost, topologías aisladas o incluso no aisladas, también es una de las topologías de conmutación más antiguas utilizadas en electrónica de potencia que requiere componentes mínimos para producir Salidas de potencia media (típicamente - 150 W a 500 W) con voltaje de salida múltiple. Es necesario cambiar el devanado del transformador para cambiar el voltaje de salida en un circuito convertidor push-pull aislado.

Sin embargo, todas estas características plantean muchas preguntas en nuestra mente. Como, ¿cómo funciona un convertidor push-pull? ¿Qué componentes son importantes para construir un circuito convertidor push-pull? Entonces, sigue leyendo y encontraremos todas las respuestas necesarias y, al final, estaremos construyendo un circuito práctico para demostraciones y pruebas, así que entremos en él.

Construcción de un convertidor push-pull

El nombre tiene la respuesta. Empujar y Tirar tienen dos significados opuestos de lo mismo. ¿Cuál es el significado de Push-Pull en términos sencillos? El diccionario dice que la palabra empujar significa avanzar usando la fuerza para pasar personas u objetos para moverse a un lado. En un convertidor DC-DC push-pull, el empuje define empujar la corriente o alimentar la corriente. Ahora bien, ¿qué significa tirar? Una vez más, el diccionario dice ejercer fuerza sobre alguien o algo para provocar un movimiento hacia uno mismo. En el convertidor push-pull, es nuevamente la corriente la que se extrae.

Por lo tanto, un convertidor push-pull es un tipo de convertidor de conmutación donde las corrientes se empujan constantemente hacia algo y se extraen constantemente de algo. Este es un tipo de transformador flyback o inductor. La corriente es empujada y extraída constantemente del transformador. Usando este método de empujar-tirar, el transformador transfiere el flujo a la bobina secundaria y proporciona algún tipo de voltaje aislado.

Ahora bien, como se trata de un tipo de regulador de conmutación, también como el transformador debe conmutarse de tal manera que la corriente debe empujarse y tirarse sincrónicamente, para eso necesitamos algún tipo de regulador de conmutación. Aquí, se requiere un controlador push-pull asincrónico. Ahora, es obvio que los interruptores están hechos con diferentes tipos de transistores o Mosfets.

Hay muchos controladores push-pull disponibles en el mercado de la electrónica que se pueden usar inmediatamente para trabajos relacionados con conversaciones push-pull.

Algunos de estos controladores IC se pueden encontrar en la siguiente lista:

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

¿Cómo funciona un convertidor Push Pull?

Para comprender el principio de funcionamiento del convertidor push-pull, hemos dibujado un circuito básico que es un convertidor push-pull básico de medio puente, y se muestra a continuación, en aras de la simplicidad, hemos cubierto la topología de medio puente, pero hay otra topología común disponible, que se conoce como convertidor push-pull de puente completo.

Dos transistores NPN habilitarán la funcionalidad push-pull. Los dos transistores Q1 y Q2 no se pueden encender al mismo tiempo. Cuando el Q1 está encendido, el Q2 permanecerá apagado, cuando el Q1 está apagado, el Q2 se encenderá. Ocurrirá secuencialmente y continuará como un bucle.

Como podemos ver, el circuito anterior usa un transformador, este es un convertidor push-pull aislado.

La imagen de arriba muestra el estado en el que el Q1 está encendido y el Q2 se apagará. Por lo tanto, la corriente fluirá a través de la toma central del transformador e irá a tierra a través del transistor Q1, mientras que Q2 bloqueará el flujo de corriente en la otra toma del transformador. Ocurre exactamente lo contrario cuando el Q2 se enciende y el Q1 permanece apagado. Siempre que ocurren los cambios en el flujo de corriente, el transformador transfiere la energía del lado primario al secundario.

El gráfico anterior es muy útil para comprobar cómo sucede esto, al principio, no solía haber voltajes ni flujo de corriente en el circuito. Q1 encendido, un voltaje constante golpea primero el grifo cuando el circuito está cerrado ahora. La corriente comienza a aumentar y luego se induce el voltaje en el lado secundario.

En la siguiente fase, después de un retardo de tiempo, el transistor Q1 se apaga y Q2 se enciende. Aquí vienen algunas cosas importantes en el trabajo: la capacitancia parásita del transformador y la inductancia forman un circuito LC que comienza a cambiar en polaridad opuesta. La carga comienza a fluir de regreso en la dirección opuesta a través del otro devanado de la toma del transformador. De esta manera, la corriente es impulsada constantemente en modos alternativos por esos dos transistores. Sin embargo, como la tracción se realiza mediante el circuito LC y la toma central del transformador, se denomina topología push-pull. A menudo se describe de tal manera que los dos transistores empujan la corriente alternando el nombre de la convención push-pull donde los transistores no tiran de la corriente. La forma de onda de carga se parece al diente de sierra, sin embargo, no es lo que se muestra en la forma de onda anterior.

Como hemos aprendido cómo funciona un diseño de convertidor push-pull, pasemos a construir un circuito real para él, y luego podemos analizar eso en el banco. Pero antes de eso, echemos un vistazo al esquema.

Componentes necesarios para construir un práctico convertidor Push Pull

Bueno, el circuito de abajo está construido en una placa de pruebas. Los componentes utilizados para probar circuitos son los siguientes:

1. Inductores de 2 piezas con la misma potencia: inductor toroidal 220uH 5A.
2. Condensador de película de poliéster de 0.1uF - 2 piezas
3. Resistencia 1k 1% - 2 piezas
4. Transistor de par Darlington ULN2003
5. Condensador 100uF 50V

Un práctico diagrama de circuito del convertidor push-pull

El esquema es bastante sencillo. Analicemos la conexión, el ULN2003 es la matriz de transistores de par Darlington. Esta matriz de transistores es útil ya que los diodos de rueda libre están disponibles dentro del chipset y no requiere ningún componente adicional, evitando así cualquier enrutamiento complejo adicional en una placa de pruebas. Para el controlador síncrono, estamos usando un temporizador RC simple que encenderá y apagará sincrónicamente los transistores para crear un efecto push-pull a través de los inductores.

Práctico convertidor push-pull: funcionamiento

El funcionamiento del circuito es sencillo. Eliminemos el par Darlington y simplifiquemos el circuito usando dos transistores Q1 y Q2.

Las redes RC están conectadas en posición cruzada con la base de Q1 y Q2, que encienden los transistores alternativos mediante una técnica de retroalimentación llamada retroalimentación regenerativa.

Comienza a funcionar así: cuando aplicamos voltaje a la toma central del transformador (donde está la conexión común entre dos inductores), la corriente fluirá a través del transformador. Dependiendo de la densidad de flujo y la saturación de la polaridad, negativa o positiva, la corriente carga primero C1 y R1 o C2 y R2, no ambos. Imaginemos que C1 y R1 obtienen la corriente primero. C1 y R1 proporcionan un temporizador que enciende el transistor Q2. La sección L2 del transformador inducirá voltaje usando el flujo magnético. En esta situación, el C2 y el R2 comienzan a cargarse y encienden el Q1. La sección L1 del transformador luego induce un voltaje. El tiempo o la frecuencia depende completamente del voltaje de entrada, el flujo saturado del transformador o inductor, las vueltas primarias, el área de centímetros cuadrados de sección transversal del núcleo.La fórmula de la frecuencia es-

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

Donde Vin es el voltaje de entrada, 10 ⁸ es un valor constante, β _s es la densidad de flujo saturado del núcleo que se reflejará en el transformador, A es el área de la sección transversal y N es el número de vueltas.

Prueba del circuito convertidor push-pull

Para probar el circuito, se requieren las siguientes herramientas:

1. Dos milímetros: uno para verificar el voltaje de entrada y otro para el voltaje de salida
2. Un osciloscopio
3. Una fuente de alimentación de banco.

El circuito se construye en una placa de pruebas y la potencia se aumenta lentamente. El voltaje de entrada es 2.16V mientras que el voltaje de salida es 8.12V, que es casi cuatro veces el voltaje de entrada.

Sin embargo, este circuito no utiliza ninguna topología de retroalimentación, por lo que la tensión de salida no es constante ni aislada.

La frecuencia y la conmutación del push-pull se observa en el osciloscopio.

Por lo tanto, el circuito ahora actúa como un convertidor elevador push-pull donde el voltaje de salida no es constante. Se espera que este convertidor push-pull pueda proporcionar una potencia de hasta 2W, pero no lo hemos probado debido a la falta de generación de retroalimentación.

Conclusiones

Este circuito es una forma simple de convertidor push-pull. Sin embargo, siempre se recomienda utilizar un controlador IC de empujar-tirar adecuado para la salida deseada. El circuito se puede construir de manera que, aislado o no aislado, se pueda construir cualquier topología en la conversión push-pull.

El siguiente circuito es un circuito adecuado de convertidor de CC a CC controlado de contrafase. Es un convertidor push-pull 1: 1 que utiliza LT3999 para dispositivos analógicos (tecnologías lineales).

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