Convertitore flyback

Un convertitore flyback è un dispositivo elettrico in grado di generare una tensione di uscita CC che può essere maggiore o minore dell'ingresso CC. Se un convertitore buck, che riduce la tensione, è collegato in cascata con un convertitore boost, che aumenta la tensione, il risultato è un convertitore buck-boost. Come suggerisce il nome, il convertitore buck-boost può diminuire o aumentare la tensione di ingresso ed è la base del convertitore flyback. Il convertitore flyback differisce da un convertitore buck-boost in quanto utilizza un induttore accoppiato o un trasformatore flyback per l'isolamento elettrico tra l'uscita e l'ingresso. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore flyback e indagherà su come la modifica delle condizioni operative del convertitore influisce sulla sua uscita.

Per capire come funziona un convertitore flyback, inizia con un convertitore buck in serie con un convertitore boost. Gli interruttori di questo circuito vengono attivati e disattivati da un segnale modulato a larghezza di impulso. Il carico all'uscita del convertitore buck è un dissipatore di corrente, che a sua volta è l'ingresso del convertitore boost. In questo circuito, il convertitore boost deve essere invertito in modo che la direzione della corrente attraverso il dissipatore di corrente sia coerente con il funzionamento di ogni stadio. Di conseguenza, il convertitore in cascata ha una polarità di uscita invertita rispetto al suo ingresso. Il circuito può essere semplificato in questa configurazione di convertitore buck-boost. Quando l'interruttore è chiuso, la sorgente di tensione guida la corrente attraverso l'induttore. Questa corrente aumenta linearmente con il tempo e crea un campo magnetico che immagazzina energia nell'induttore. In questo momento, il diodo è polarizzato inversamente e non conduce, quindi solo il condensatore fornisce energia al carico. Quando l'interruttore è aperto, la corrente attraverso l'induttore deve continuare nella stessa direzione provocando l'inversione di polarità dell'induttore. Ora il diodo diventa polarizzato in avanti e l'induttore può fornire energia al carico e allo stesso tempo caricare il condensatore. Quando l'interruttore si richiude, il ciclo si ripete. La sostituzione dell'induttore con un induttore accoppiato o un trasformatore flyback, fornisce l'isolamento elettrico tra l'ingresso e l'uscita, necessario quando le masse sul lato sorgente e sul lato del carico devono essere separate. Spostando l'interruttore dal lato alto della sorgente di tensione al lato basso, si semplificano le richieste elettriche sull'interruttore e sul circuito che lo aziona. Infine, invertendo la polarità dell'induttore accoppiato o del trasformatore flyback e invertendo la direzione del diodo, si abilita la polarità dell'uscita a corrispondere all'ingresso. Il risultato è il convertitore flyback di base. Ora che abbiamo visto come derivare il convertitore flyback dalla cascata di un convertitore buck e boost, indaghiamo su come cambia il suo comportamento con diverse condizioni operative.

L'uscita in questo esperimento è limitata a 50 volt CC o meno. Utilizzare solo i cicli di lavoro, le frequenze, le tensioni di ingresso e i carichi specificati. Questi esperimenti utilizzano la scheda Power Pole del sistema High Rel Con l'interruttore S90 spento, collegare l'alimentazione del segnale al connettore J90. Impostare l'impulso con i ponticelli di selezione della modulazione J62 e J63 sulla posizione di anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 16 volt, ma non collegare la sua uscita alla scheda polare di alimentazione. Quindi, costruisci il circuito del convertitore flyback con il MOSFET inferiore e la scheda magnetica flyback. Regolare la resistenza di carico a 10 ohm. Quindi collegarlo al potenziometro della scheda tra i morsetti V2+ e com. Impostare il banco di selettori S30 come segue: PWM sul fondo MOSFET, utilizzare PWM integrato e spegnere il carico. Collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il gate e la sorgente del MOSFET inferiore. Accendere l'interruttore S90 e osservare il segnale di commutazione che accende e spegne il MOSFET. Impostare RV60 in modo che produca una frequenza di commutazione di 100 kHzr. Impostare il potenziometro RV64 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di accensione di cinque microsecondi.

Innanzitutto, collegare una sonda normale tra il gate e la sorgente del MOSFET inferiore. Collegare la sonda differenziale attraverso il carico e collegare l'alimentazione CC in ingresso a V1+ e com. La tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dall'induttore e dal condensatore che forniscono alternativamente corrente al carico. La tensione di gate source del MOSFET è un treno di impulsi digitale. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di attivazione della tensione dal gate alla sorgente, quindi registrare la corrente di ingresso e le letture della tensione. Ripetere questo test con i flussi di impulsi impostati su un tempo di accensione di 2,5 e quattro microsecondi, che corrispondono a rapporti di servizio rispettivamente di 0,1, 0,25 e 0,4. Quando l'interruttore è chiuso, l'energia viene immagazzinata nell'induttore quando l'interruttore è aperto, l'energia viene dissipata nel carico. Idealmente, l'uscita aumenta con il rapporto di lavoro, tuttavia, per rapporti di lavoro superiori a 0,5, l'energia immagazzinata è maggiore dell'energia dissipata, con conseguente possibile saturazione del nucleo. Per evitare l'accumulo di energia residua, i convertitori flyback non vengono utilizzati al di sopra di un rapporto di servizio di 0,5.

Collegare una normale sonda per oscilloscopio al canale tre dell'oscilloscopio. Agganciare questa sonda tra CS1 e com per misurare la corrente di ingresso. Osservare il segnale di commutazione gate-source mentre si regola il potenziometro RV60 per produrre una frequenza di 70 kilohertz. Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso V1+ e com. Osservare la forma d'onda della corrente di ingresso e misurare la tensione media di ingresso e di uscita. Registra la frequenza e il rapporto di lavoro, nonché le letture della corrente e della tensione di ingresso dall'alimentazione CC. Ripetere questo test dopo aver regolato l'RV60 su una frequenza di commutazione di 50, 30 e 10 kilohertz con il rapporto del ciclo di lavoro fissato a 0,5. Al diminuire della frequenza, l'ondulazione di uscita aumenta perché aumentano anche i tempi di carica e scarica del condensatore.

I convertitori flyback sono generalmente utilizzati in alimentatori isolati in cui l'uscita deve essere isolata galvanicamente dall'ingresso. Previene i danni al circuito in caso di guasto e protegge gli utenti da tensioni pericolose. I caricabatterie per telefoni cellulari convertono l'alimentazione principale da 120 volt CA in una tensione CC interna che diventa l'ingresso di un convertitore flyback. Il convertitore flyback, a sua volta, genera un'uscita a cinque volt al connettore USB standard che si collega a un telefono cellulare e lo carica. L'isolamento galvanico nel convertitore flyback protegge sia il telefono cellulare che l'utente dal contatto con l'alimentazione a 120 CA. Al contrario, il telefono cellulare probabilmente utilizza un convertitore buck per ridurre di cinque volt dal caricabatterie a 3,6 volt nominali per la sua batteria agli ioni di litio. Per queste basse tensioni sicure, non è necessario alcun isolamento. Il tubo a raggi catodici in un vecchio televisore o monitor di computer utilizza un fascio di elettroni per illuminare i fosfori sullo schermo. L'azionamento a deflessione orizzontale dei CRT incorpora spesso convertitori flyback che operano in modalità step up. Il convertitore flyback genera l'alta tensione che controlla questo raggio e lo sposta per colpire i punti scelti sullo schermo.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai convertitori flyback. A questo punto è necessario comprendere in che modo il convertitore flyback è correlato ai convertitori boost e buck e in che modo il suo comportamento varia in base alle condizioni operative. Grazie per l'attenzione.