DC/DC-converters gebruiken voor industriële automatisering

Vermogenselektronica is een gebied van elektrotechniek dat zich bezighoudt met elektronische circuits om elektrische stroom om te zetten en te regelen. Het is een uiterst belangrijk veld met verreikende toepassingen, aangezien vrijwel elk modern apparaat is uitgerust met een of andere vorm van een vermogenselektronicacircuit. Enkele van de meest voorkomende elektronische componenten die worden gebruikt voor stroomconversie zijn diodes, gelijkrichters, transistors, thyristors, SCR's (siliciumgestuurde gelijkrichter) en MOSFET's (metaaloxide-veldeffecttransistor).

Figuur 1 . Vermogenselektronica is een cruciaal element dat aanwezig is in bijna elke moderne elektrische apparatuur. Afbeelding gebruikt met dank aan Skyfi Labs

Stroomomvormers zijn ontworpen om de belangrijkste kenmerken van elektrisch vermogen, zoals stroom, frequentie en spanning, te veranderen. Natuurlijk is de basisvorm, of het nu wisselstroom (AC) of gelijkstroom (DC) is, een andere belangrijke parameter, die ook van ingang naar uitgang kan worden gewijzigd.

Dankzij deze mogelijkheden kunnen vermogenselektronische systemen een breed scala aan niet-elektrische variabelen regelen, zoals temperatuur, motorsnelheid en radiofrequenties. Dit artikel richt zich op DC/DC-converters, die over alle eerder beschreven functies beschikken, met als belangrijkste verschil dat de elektrische stroomvorm altijd gelijkstroom is.

Wat is een DC/DC-converter?

Een DC/DC-omzetter neemt stroom op in DC-vorm en voert een aangepast spanningsniveau uit terwijl hij in DC-vorm blijft. De uitgangsspanning kan hoger of lager zijn dan de ingang. Ze zijn ook algemeen bekend als spanningsregelaars. Deze apparaten regelen de output van een stroombron die mogelijk niet stabiel of constant is, zoals die in op batterijen werkende systemen.

DC/DC-converters worden normaal gesproken beoordeeld op basis van ingangs- en uitgangsspanning en stroom. Hoewel veel omvormers een vast uitgangsvermogen hebben, maken sommige het mogelijk om het uitgangsvermogen binnen een bereik aan te passen. De meeste omvormers tellen met een enkele uitgang, maar er zijn ook opties met dubbele en meerdere uitgangen. Op basis van de primaire functie kunnen ze bestaan ​​uit inductoren, diodes, gelijkrichters en filters.

Figuur 2. Krachtige DC/DC-converters worden veel gebruikt in systemen voor openbaar vervoer. Afbeelding gebruikt met dank aan Absopuls

Voor een efficiënt proces maken spanningsregelaarcircuits gebruik van vermogenselektronica om ruis te verminderen en een constante output te behouden. Goed ontworpen regelaars hebben een efficiëntie van 90% of hoger, wat een belangrijke overweging is om vermogensverlies en warmteafvoer te verminderen.

DC/DC-convertertopologieën

DC/DC-converters kunnen in twee hoofdgroepen worden ingedeeld:lineair en schakelend.

Lineaire regelapparaten werken vergelijkbaar met een spanningsdeler, waarbij een gewijzigde constante spanning aan de uitgang wordt gehandhaafd. Een groot nadeel van deze regelaars is de inefficiëntie, aangezien bijna al het verschil tussen de input en de gereguleerde output verloren gaat als restwarmte. Aan de andere kant werken schakelregelaars efficiënter door de uitgang naar behoefte in en uit te schakelen in plaats van permanent op uitgang.

Er zijn twee hoofdtypen DC/DC-schakelconverters:geïsoleerd en niet-geïsoleerd.

Deze laatste worden voornamelijk gebruikt wanneer de spanningsverandering tussen de ingang en de uitgang relatief klein is. Input en output zijn niet van elkaar geïsoleerd omdat ze een gemeenschappelijke basis delen. Omgekeerd zijn geïsoleerde converters ontworpen om de invoer fysiek van de uitvoer te scheiden, waardoor een hogere bescherming tegen interferentie wordt geboden en een betrouwbaardere uitvoer wordt geleverd. Hieronder staan ​​enkele van de meest voorkomende typen converters in elke categorie.

Niet-geïsoleerd

• Step-up-converter :Ook bekend als een boost-converter, de uitgangsspanning van dit apparaat is gelijk aan of hoger dan de ingang met behoud van dezelfde polariteit. Dit apparaat werkt door energie op te slaan in een inductor (L), die naar de uitgang kan stromen op basis van de voorspanning van een diode (D) die wordt bestuurd door een schakelaar (S).

Figuur 3. Een boost-converteranimatie. Afbeelding gebruikt met dank aan Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Step-down-converter: Ook bekend als een buck-converter, is de uitgangsspanning gelijk aan of lager dan de ingang. Het belangrijkste verschil tussen deze en de boost-converter is de plaatsing van de diode en de inductor. In dit geval, wanneer de schakelaar (S) uit staat, laat het equivalente circuit gevormd door de diode (D) en inductor (L) de opgeslagen energie naar de uitgang stromen.
• Buck-boost-converter :Deze apparaten genereren een uitgangsspanning die lager, gelijk aan of groter kan zijn dan de ingangsspanning. Ze bieden de mogelijkheid om polariteiten om te keren, een veel voorkomende toepassing. Het circuit is een combinatie van de buck- en boost-converters.

Figuur 4. Vergelijking van buck-, boost- en buck-boost-converters. Afbeelding gebruikt met dank aan Cyril Buttay

Geïsoleerd

• Flyback-converter :Werkt vergelijkbaar met een buck-boost-converter, maar een transformator slaat in plaats daarvan energie op. De transformator zorgt voor de isolatie tussen de input en output.
• Forward converter :vergelijkbaar met de flyback-converter, maar de transformatiestap wordt eerst geplaatst, gevolgd door een traditionele buck-boost-conversie.

Toepassingen voor industriële automatisering

Zoals gezegd hebben DC/DC-converters een breed scala aan toepassingen, waaronder industriële automatisering. Een groot aantal veldapparatuur heeft 24V-voeding nodig. Elektrische panelen zijn bijvoorbeeld uitgerust met DC/DC step-down converters die de spanning van de hoofdvoeding verlagen. Sommige veldapparaten hebben niet alleen dit spanningsniveau nodig, maar zijn ook gevoelig genoeg om een ​​schone en stabiele energievoorziening nodig te hebben, wat nog een reden is om een ​​omvormer te integreren.

Figuur 5. Een geïsoleerde DC/DC-converter van Phoenix Contact. Afbeelding gebruikt met dank aan Phoenix Contact

Er zijn tal van automatiseringstoepassingen op batterijen waarbij het cruciaal is om DC/DC-converters te integreren om een ​​constante stroomtoevoer naar kleine apparaten te behouden. Naarmate een batterij ontlaadt, daalt het spanningsniveau geleidelijk. De batterijspanning is ook onderhevig aan plotselinge dalingen als gevolg van onverwacht hoge energievereisten voor de gecontroleerde apparatuur. Mobiele geautomatiseerde machines, zoals autonome mobiele robots (AMR's) en lasergestuurde voertuigen (LGV's), zijn voorbeelden van batterijgevoede robots die DC/DC-converters nodig hebben om een ​​stabiele stroomtoevoer naar de programmeerbare logische controller (PLC) en andere apparaten bedienen.