Меню

Повышающие импульсные преобразователи постоянного тока



Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC). Какие они бывают (подборка с Алиэкспресс)

По жизни иногда случается так, что в распоряжении пользователя есть одно напряжение, а какое-либо устройство надо запитать другим напряжением.

Особенно часто такие ситуации встречаются, когда речь идёт об автономном питании: в этом случае другое напряжение взять просто неоткуда.

Ситуацию спасают DC-DC преобразователи.

В силу схемотехнических особенностей они отличаются огромным разнообразием решений.

Они бывают понижающими, повышающими, понижающе-повышающими, на отрицательную полярность, изолирующими, двухполярными, а также могут представлять собой различные комбинации перечисленных вариантов.

Всё разнообразие вариантов в рамках одной небольшой подборки осветить невозможно, но некоторые «ходовые» случаи будут представлены.

Известные с древности линейные стабилизаторы тоже можно в какой-то степени считать DC-DC преобразователями (понижающими), но они в этой статье рассматриваться не будут. Хотя, во многих случаях их может оказаться достаточно для решения проблемы.

Цены далее в тексте указаны примерные на дату публикации с доставкой в Россию (в дальнейшем могут меняться). Если найдутся такие же устройства, но дешевле, то тоже можно покупать — товар одинаковый.

DC-DC преобразователь в корпусе USB-разъёма с выходом 9 или 12 V

Сам DC-DC преобразователь как таковой находится внутри кожуха разъёма USB, и, конечно, мощным быть не может.

Преобразователь выпускается в вариантах с напряжением выхода 9 В или 12 В (т.е. с фиксированным напряжением без переключения).

Максимальный ток выхода — 800 мА; максимальный потребляемый ток — до 2.1 А от источника 5 В (т.е. от порта USB компьютера или зарядного устройства телефона).

При его использовании надо помнить о двух моментах.

Во-первых, не рекомендуется использовать длительное время при максимально-допустимых параметрах нагрузки (впрочем, это относится к любым источникам питания).

А во-вторых, при питании от порта USB компьютера не рекомендуется нагружать порт USB 2.0 более, чем на 0.5 А; а порт USB 3.0 — более 0.9 А. Ток нагрузки преобразователя в этом случае не должен превышать примерно половину от этой величины для преобразователя на 9 В, и 1/3 — для преобразователя на 12 В.

DC-DC преобразователь в корпусе USB-разъёма с регулируемым выходом 1 — 24 V

Когда требуется какое-либо нестандартное напряжение, то помочь могут DC-DC преобразователи с регулируемым выходом.

Представленный в этой карточке преобразователь изготовлен в корпусе разъёма USB и может отдавать на выход напряжение в широком диапазоне — от 1 до 24 Вольт (понижающе-повышающий; на основе схемотехники SEPIC).

Точность установки напряжения — 0.1 В; имеется встроенный вольтметр.

Максимальная выходная мощность — 3 Вт.

Аналогично предыдущему преобразователю, при питании от порта USB компьютера мощность на выходе будет меньше.

Подробный обзор этого преобразователя — здесь.

Понижающий DC-DC преобразователь с 5-40 V до 1.2-35 V мощностью 300 W

Этот DC-DC преобразователь, можно сказать, «классический» понижающий преобразователь.

Он работает в широком диапазоне напряжений, но при этом обязательно должно соблюдаться условие, что входное напряжение должно быть выше выходного.

Преобразователь снабжен потенциометрами для регулировки выходного напряжения и ограничения тока нагрузки.

Вместе с тем он требует внимательного обращения при подключении, так как не имеет диода защиты от переполюсовки входного напряжения.

В случае использования на мощность, близкую к максимальной, рекомендуется дополнительное охлаждение.

Цена — около $4.5 с учётом доставки.

Повышающий DC-DC преобразователь с 3-35 V до 5-45 V мощностью 150 W

Ещё один DC-DC преобразователь из серии «классика жанра»; на этот раз — повышающий с регулируемым напряжением выхода.

Преобразователь снабжен встроенным вольтметром с ценой деления 0.1 Вольт.

Его предельно-допустимый входной ток ограничен величиной 5 А, поэтому не следует рассчитывать, что при низких входных напряжениях он сможет развить высокую выходную мощность.

Для получения высокой мощности на выходе соотношение напряжений на входе и выходе должно быть разумным (насколько это позволяют обстоятельства применения); при этом выходное напряжение должно быть строго выше входного.

Понижающе-повышающий DC-DC преобразователь на отрицательную полярность малой мощности

DC-DC преобразователи с переворотом полярности на отрицательную стоят немного особняком.

Обычно они применяются в тех случаях, когда требуется создать напряжение отрицательной полярности для устройств, требующих двухполярного питания (как правило, небольшой мощности).

В отличие от обычных понижающих и повышающих преобразователей, они являются истинно понижающе-повышающими «в одном флаконе» в силу особенностей схемотехники.

Преобразователи, представленные в этой серии, выпускаются на ряд фиксированных напряжений от минус 3.3 до минус 15 Вольт.

Мощность, отдаваемая в нагрузку, может быть от 0.12 Вт до 2.7 Вт в зависимости от соотношения напряжений на входе и выходе.

Цена — около $2.3 с учётом доставки.

Понижающе-повышающий DC-DC преобразователь с двухполярным выходом до ±24 V

Этот DC-DC преобразователь хорошо подходит для тех случаев, когда пользователю требуется симметричное двухполярное напряжение. Предположительно, он основан на двухполярном варианте схемы SEPIC.

Напряжение на выходе может регулироваться от ±3 В до ±24 В; при допустимом диапазоне входных напряжений от 3.6 до 24 В.

Максимальная мощность на выходе — 20 Вт, но в реальности она будет очень сильно зависеть от соотношения входного и выходного напряжения (низкое входное напряжение и высокое выходное являются крайне неблагоприятным сочетанием).

Кроме того, производитель запрещает использовать преобразователь только по отрицательному напряжению (положительное плечо должно быть нагружено обязательно); а также не рекомендуются нагрузки менее 15 мА.

При всём позитиве этого преобразователя, надо заметить, что производитель забыл разместить на плате отверстия для её крепления к чему-либо.

Цена — около $8 с учетом доставки.

Сдвоенный однополярный понижающий DC-DC преобразователь с 5-40 V до 1.25-35 V

Иногда бывает нужно получить от одного источника два разных напряжения одной полярности.

В этом случае можно использовать два отдельных DC-DC преобразователя; а можно и один сдвоенный. В этом случае пользователь получит экономию в габаритах и упрощение монтажа.

Данный DC-DC преобразователь содержит два одинаковых блока с максимальной мощностью каждого выхода до 20 Вт (при условии, что ток выхода не будет превышать 2.5 А при длительной эксплуатации и 3 А — кратковременно).

Регулировка напряжения выходов каналов — независимая.

Цена — около $11.5.

Изолирующий понижающе-повышающий DC-DC преобразователь с одно- или двухполярным выходом 10 W

Иногда питаемое устройство должно быть гальванически изолировано от источника питания. Это может требоваться по разным причинам: от требований по электробезопасности до защиты от помех, создаваемых исходным источником питания.

Данный преобразователь оформлен в виде модуля в корпусе, защищённом от проникновения посторонних предметов (что поможет соблюдению требования по изоляции).

Производитель гарантирует электропрочность изоляции до 1500 В постоянного напряжения.

Преобразователь не имеет регулировки выходного напряжения; потребителю следует заказывать устройство с напряжением из числа предлагаемых фиксированных значений от 5 до 24 В в однополярном исполнении, или от ±5 до ±15 В в двухполярном исполнении. Мощность на выходе — 10 Ватт.

Цена — около $20 с учетом доставки.

Автомобильный повышающий DC-DC преобразователь с 12 V до 24 V мощностью до 480 W

DC-DC преобразователи существуют не только в виде отдельных плат и модулей, но и в виде законченных конструкций в добротных и прочных корпусах.

В качестве примера — автомобильный повышающий DC-DC преобразователь с 12 до 24 Вольт.

Такие преобразователи могут быть полезны для питания различного оборудования, для которого не подходит стандартное напряжение автомобильной бортовой сети 12 В.

Цена — от $17 до $38 в зависимости от требуемой мощности.

Существуют, естественно, преобразователи и на другие напряжения.

Как можете видеть, DC-DC преобразователи — это широкий класс устройств с огромным разнообразием технических и конструктивных решений.

Они также могут иметь и огромный разброс по мощности: от милливатт до киловатт!

При этом они попутно выполняют и ещё одну функцию: стабилизацию напряжения питания. Если исходный источник будет с «плавающим» напряжением (например, батарея или аккумулятор), то на выходе преобразователя напряжение будет стабильным.

Эти устройства могут очень сильно облегчить потребителю обеспечение устройств питанием даже в самых нестандартных случаях. Но при этом важно правильно рассчитать требуемые параметры необходимого DC-DC преобразователя; причём, как в отношении параметров выхода, так и в отношении потребления от «исходного» источника питания.

Источник

Преобразователи напряжения импульсные

Для преобразования электроэнергии, а точнее сказать, напряжения, можно использовать различные устройства, такие как трансформаторы, генераторы, зарядные устройства. Все они являются преобразователями электрической энергии. Так как для питания многих современных устройств нужно не только переменное, но и постоянное напряжение, то для этих целей не всегда есть возможность применять такой источник энергии, как аккумуляторная батарея. Именно она выдаёт идеальное постоянное напряжение путём химической реакции. Раньше для преобразования и понижения напряжения применялись только низкочастотные трансформаторы, работающие в паре с выпрямителем и сглаживающим фильтром. Однако они обладали очень большими габаритами. С ростом и развитием инновационных технологий в быту и на производстве стали появляться электронные устройства, требующие миниатюрных преобразовательных устройств. Так и появились импульсные преобразователи постоянного напряжения. Миниатюрность их требуется больше для переносных мобильных устройств, нежели для стационарных.

Читайте также:  Сварочные аппараты вду 506с не регулируется ток

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

  1. Повышающие, понижающие, инвертирующие;
  2. Со стабилизацией и без неё;
  3. С гальванической развязкой и без неё;
  4. Регулируемые и нерегулируемые;
  5. Обладающие различным диапазоном входного и выходного напряжения.

Однако импульсные преобразователи собраны на более сложных схемах, нежели их предшественники классические понижающие выпрямители.

Принцип действия

ИПН 24-12

Классические преобразователи с регулировкой выходного напряжения, как правило, управляют сопротивлением элемента, выполняющего регулировочную роль (транзистор или тиристор), через него постоянно протекает электрический ток, который и заставляет данный элемент нагреваться, при этом теряется значительная часть мощности. Главное преимущество такого устройства это минимум запчастей, простота, и отсутствие помех. Все остальные характеристики больше относятся к недостаткам.

Импульсный преобразователь напряжения использует регулировочный элемент лишь в виде ключа. То есть он работает в двух режимах:

  • Закрыт, и не пропускает электрический ток;
  • Открыт, и имеет минимальное проходное сопротивление.

При этом каждый из режимов обладает низким выделением тепла, что даёт возможность показывать высокий коэффициент полезного действия (КПД). Нагрузка же получает непрерывно электроэнергию за счёт накопления и хранения её в таких электрических резервуарах, как:

  1. Индуктивность (катушках);
  2. Конденсаторах.

Регулировка происходит за счёт изменения времени замкнутого состояния ключевого элемента. Снижение габаритов, а также массы устройств, возможно только за счёт повышения частоты, от 20 кГц до 1 МГц. Импульсные устройства могут формировать на выходе как пониженное напряжение, так и с изменением полярности. За счёт применения в них трансформаторов, работающих на высоких частотах позволяет:

  1. Качественно изолировать вход от выхода;
  2. Получить на выходе устройства несколько выходных напряжений.

Как и любое устройство импульсный преобразователь обладает и недостатками, которыми являются:

  1. Сложность схемы и наличие большего количества запчастей, а значит потенциально существует больше причин поломки;
  2. Являются источниками помех.

Однако постоянное развитие технологий в этом направлении снижают эти недостатки к минимальным значениям.

Классификация и виды импульсных преобразователей

Выпускаемые преобразователи можно разделить на три основные группы по роду тока:

  1. Конверторы. Выполняют преобразование переменного напряжения (АС) в постоянное (DC). Они применяются в основном в промышленности и в быту для изолированного питания устройств потребителей, где используется переменное напряжение 380/220 Вольт с частотой 50 Гц;
  2. Инверторы. Они постоянное напряжение преобразуют в переменное. Применяются в устройствах бесперебойного питания, а также сварочных аппаратах где за счёт такого преобразования есть возможность уменьшения габаритов, а значит и веса устройств.
  3. Конверторы постоянного напряжения. Преобразуют DC в DC. Применяются для питания аккумуляторных батарей и их подзарядки в системах где питание происходит от одного конвертора AC/DC, а каждый уже непосредственный аккумулятор получает за счёт конвертора DC/DC нужное конкретно для него напряжение.

Самые распространённые схемы

Существует несколько классических стандартных схем, которые чаще всего применяются в импульсных преобразователях постоянного напряжения. Они обеспечивают разные величины соотношений между входным и выходным напряжением. Эти схемы раскрывают саму суть преобразователей и их принцип работы.

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Она используется для питания потребителей, нагрузка которых выражается большими токами и малым напряжением. Это первоочередная схема способная заменить классический низкочастотный преобразователь, в свою очередь, обеспечит увеличение КПД, уменьшит габариты и вес устройства. Транзистор VT выполняет роль электронного ключа, его работа лежит между двумя режимами осечки (полного закрытия) и насыщения (полного открытия). Расчет каждой детали производится непосредственно для конкретного потребителя и источника напряжения. Основным недостатком данной схемы является вероятность пробоя и появление полного большого входного напряжения на потребителе. Это, несомненно, приведёт к неисправности питаемого устройства.

Повышающий преобразователь и схема

Повышающий преобразователь и схема

Она может быть использована для получения напряжения на потребителе или на нагрузке больше чем на источники энергии. Применяется для подсветки дисплеев портативных компьютеров и для других электронных устройств где необходимо из небольшого напряжения сделать большее. Здесь имеет место процесс появления ЭДС самоиндукции, которая появляется после открытия транзистора. Вся накопленная энергия в дросселе попадает в нагрузку. При этом напряжение на выводах дросселя меняет свою полярность.

Инвертирующая схема

Может использоваться для получения напряжения, которое обладает обратной полярностью. При этом по значению U вых может быть меньше или больше U вх. Энергия, которая скапливается в дросселе направляется в нагрузку через сглаживающий конденсатор.

инвертирующая схема

Как видно из этих схем все они не имеют гальванической развязки, то есть непосредственной изоляции вторичного выходного напряжения от входного.

Схема 5

Вот одна из таких схем, содержащих трансформатор. Энергия, которая накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, в нагрузку выводится через вторичную обмотку. Трансформатор в этом случае может быть и повышающим и понижающим. Применяется очень часто в сетевых источниках где есть необходимость снижения входного напряжения от нескольких сотен вольт до единиц или десятков.

В момент когда транзистор закрывается трансформатор своей индуктивностью может вызвать на коллекторе высоковольтный скачок или всплеск, что несомненно, очень плохо и может привести к пробою полупроводникового элемента. Для этого и устанавливается RC-цепочка из конденсатора и катушки индуктивности, которая может быть подключена параллельно ключу или первичной обмотке. Такой обратноходовой импульсный преобразователь широко используется во многих сетевых источниках электрического тока с небольшой мощностью порядка 100 Вт.

Схема 6

Еще одна схема с трансформатором и прямым включением диода изображена на схеме ниже.

Используется в источниках питания около 250 Вт. Все эти рассмотренные выше преобразователи называются однотактные, потому что за один период преобразования в нагрузку будет поступать только один импульс. Основное их преимущество — это простота схемы состоящей всего из одного транзистора, работающего в режиме ключа, а недостаток намагничивание сердечника которое не даёт в полном объёме использовать с максимальным КПД этот магнитный материал. Передача энергии потребителю и подготовка трансформатора к следующему циклу размагничивания осуществляется с некоторой паузой которая и снижает их выходную мощность.

Вот несколько практических реализованных в жизни схем, основой которого является импульсный преобразователь. Первая из них имеет регулировочный элемент, выполненный на микросхеме, в свою очередь, обе схемы выполнены на полевых транзисторах. Расчет их выполнен под напряжение для нагрузки от 5 до 12 Вольт.

Схема 7

Методы регулировки

Существуют три вида регулирования в системах импульсных преобразователей:

  1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) Распространённый метод, который применяется в массовом производстве управляющих микросхем;
  2. Частотно-импульсное регулирование (ЧИМ). Здесь продолжительность когда ключ находится во включенном режиме должна быть согласована с периодом колебаний в контуре, обеспечивающем малые значения тока и напряжения на ключе в момент переключения. Используется там, где реализованы резонансные схемы.
  3. Комбинированный вид. Метод свойственен системам, в которых используется автоколебательный процесс, а частота переключения находится в зависимости и от напряжений на входе, и выходе преобразователя, и от величины тока в цепи потребителя;
  4. Триггерный метод. Используем исключительно в схеме понижающего регулятора, в котором необходимо, чтобы при закрытом состояния ключа, то есть транзистора, величина напряжения в нагрузке увеличивалась.

Критерии выбора

Критерии которым должен отвечать качественный импульсный преобразователь и стабилизатор:

  • Продолжительный режим работы в экстремальных моментах когда ток в нагрузке максимален;
  • Полная автоматизация регулирования напряжения на выходе. Только тогда можно не бояться ни перегрузок, ни даже короткого замыкания;
  • Высокая надёжность устройства, обусловленная высоким показателем КПД и как следствие низким выделением тепла;
  • Минимальные габариты и вес;
  • Наличие гальванической развязки, которая исключает даже теоретически саму возможность попадания опасного напряжения входа, на выходные контакты, а значит на незащищенный потребитель.

Человек не знакомый с электроникой должен помнить при выборе нужного бытового стабилизатора напряжения что он должен соответствовать главным образом мощности тех приборов, к которым он будет подключен. А также падения и всплескам напряжения, которые могут возникнуть в сети. Лучше выбирать стабилизатор или импульсный понижающий преобразователь напряжения немного с запасом по мощности, так как количество используемых потребителей в квартирах и частных домах постоянно растёт.

Источник

Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

Многие начинающие радиолюбители затрудняются определить тип блока питания, а ведь это не так уж и сложно. Основные способы преобразования напряжения заключаются в использовании одного из двух вариантов схемотехники:

Бестрансформаторные источники питания.

Содержание статьи

Трансформаторные источники питания

В свою очередь трансформаторные различаются по типу схемы:

Сетевая, с трансформатором, работающим на частоте 50 Гц;

Импульсная, с трансформатором, работающим на высоких частотах (десятки тысяч Гц).

Импульсные схемы блоков питания позволяют увеличить общий КПД конечного изделия, за счет избегания статических потерь на линейных стабилизаторах и прочих элементах.

Бестрансформаторные схемы

Если возникает необходимость питания от бытовой электросети 220 В, простейшие приборы можно включить от блоков питания использующих балластные элементы для понижения напряжения. Широко известным примером такого источника питания является схема с балластным конденсатором.

Читайте также:  Что подает ток из системы зажигания

Безтрансформаторный источник питания

Безтрансформаторная схема

Однако существует ряд драйверов со встроенным ШИМ-контроллером и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в светодиодных лампочках и другой технике.

Схема светодиодной лампы

В случае питания от источника постоянного тока, например, аккумуляторов или других гальванических элементов питания, используют:

Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с, или без проходного транзистора, параметрического стабилизатора из стабилитрона и транзистора)

Импульсного преобразователя (понижающего – BUCK, повышающего – BOOST, или понижающе-повышающего – BUCK-BOOST)

Преимущество бестрансформаторных блоков питания и преобразователей заключаются в следующем:

Нет необходимости мотать трансформатор, преобразование осуществляется за счёт дросселя и ключей;

Следствием из предыдущего являются малые габариты источников питания.

Отсутствие гальванический развязки, при неисправностях ключей приводит к появлению напряжения первичного источника питания. Это критично особенно если в его роли выступает сеть 220 В;

Опасность поражения электрическим током, как следствие гальванической связи;

Большие габариты дросселя на преобразователях высокой мощности ставят под сомнение целесообразность использования этой топологии блоков питания. При сопоставимых массогабаритных показателях можно использовать уже трансформаторный, гальванически развязанный преобразователь.

Основные разновидности импульсных преобразователей напряжения

В отечественной литературе часто встречается сокращение «ИППН», которое расшифровывается как: Импульсный Понижающий (или повышающий, или и то, и другое) Преобразователь Напряжения

Основные разновидности импульсных преобразователей напряжения

В качестве основы можно выделить три базовые схемы.

1. ИППН1 – Понижающий преобразователь, в англоязычной литературе – BUCK DC CONVERTER или Step-down.

2. ИППН2 – Повышающий преобразователь, в англоязычной литературе – BOOST DC CONVERTER или Step-up.

3. ИППН3 – Инвертирующий преобразователь с возможностью как повышения, так и понижения напряжения, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Как работает импульсный понижающий преобразователь?

Начнем с рассмотрения принципа работы первой схемы – ИППН1.

Понижающий преобразователь

В схеме можно выделить два питающих контура:

1. «+» от источника питания подаётся через закрытый ключ (транзистор любого типа соответствующей проводимости) на Lн (накопительный дроссель), далее ток протекает через нагрузку к «–» источника питания.

2. Второй контур образован из диода Д, дросселя Lн и подключенной нагрузки Rн.

Когда ключ замкнут, ток проходит по первому контуру, через катушку индуктивности протекает ток, и в её магнитном поле накапливается энергия. Когда мы выключаем (размыкаем) ключ, энергия, запасённая в катушке, рассеивается в нагрузку, при этом ток протекает через второй контур.

Напряжение на выходе (нагрузке) такого преобразователя равняется

Ku – это коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов силового ключа.

Коэффициент заполнения «D» – это отношение времени, когда ключ открыт, к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.

ВАЖНО: Для ИППН1 Ku=D. Это значит, что пределы регулирования данного стабилизатора приблизительно равны – 0…Uвых.

Период, скважность и величина ШИМ

Напряжение на выходе такого преобразователя аналогично по полярности с напряжением на входе.

Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения

ИППН2 – способен повышать напряжение от напряжения питания до величины в десятки раз превышающей его. Схематически он состоит из тех же элементов что и предыдущая.

Любой преобразователь подобного типа в своем составе имеет три основных действующих компонента:

Управляемый ключ (биполярный, полевой, IGBT, MOSFET транзисторы);

Неуправляемый ключ (выпрямительный диод);

Импульсный повышающий преобразователь напряжения

Ток всегда протекает через индуктивность, изменяется лишь его величина.

Для того, чтобы понять принцип работы этого преобразователя, нужно вспомнить закон коммутации для катушки индуктивности: «Ток через катушку индуктивности не может измениться моментально».

Это вызвано таким явлением как ЭДС самоиндукции или противо-ЭДС. Так как электромагнитное поле индуктивности препятствует скачкообразному изменению тока, катушку можно представить в виде источника питания. Тогда в это схеме, когда ключ замыкается через катушку начинает протекать ток большой величины, но, как уже было сказано резко он возрасти не может.

Противо-ЭДС это явление, когда на концах катушки возникает ЭДС противоположное тому, что приложено. Если представить это на схеме для наглядности, придется представить катушку индуктивности в виде источника ЭДС.

Катушка индуктивности в виде источника ЭДС

Под цифрой «1» обозначено состояние схемы, когда ключ замкнут. Обратите внимания что источник питания и условное обозначение ЭДС катушки соединены положительными выводами последовательно, т.е. величины их ЭДС вычитаются. В таком случае индуктивность препятствует прохождению электрического тока, а вернее замедляет его рост. По мере роста, через определенный постоянной времени промежуток, величина противо-ЭДС уменьшается, а ток через индуктивность нарастает.

Лирическое отступление:

Величина ЭДС самоиндукции, как и любое другое ЭДС измеряется в Вольтах.

В этот промежуток времени основной ток протекает по контуру: источник питания-индуктивность-замкнутый ключ.

Когда ключ SA размыкается, схема 2. Ток начинает течь по такому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Так как сопротивление нагрузки, чаще значительно больше, чем сопротивление канала замкнутого транзистора. При этом снова – ток, протекающий через индуктивность не может измениться скачком, индуктивность всегда стремится поддержать направление и величину тока, поэтому возникает снова противо-ЭДС, но уже в обратной полярности.

Обратите внимание, как на второй схеме подключены полюса Источника питания и замещающего катушку источника ЭДС. Они соединены последовательно противоположными полюсами, а величины этих ЭДС складываются.

Таким образом происходит повышение напряжения.

Во время процесса накопления энергии индуктивности нагрузка питается энергией, которая ранее была запасена в сглаживающем конденсаторе.

Коэффициент преобразования в ИППН2 равен

Как видно из формулы – чем больше D – коэффициент заполнения, тем больше выходное напряжение. Полярность выходного питания, совпадает со входным у данного типа преобразователя.

Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирующий преобразователь напряжения довольно интересное устройство, ведь он может работать, как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения. Однако стоит учитывать, что полярность его выходного напряжения противоположна входному, т.е. положительный потенциал оказывается на общем проводе.

Инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирование также заметно по направлению, в котором включен диод Д. Принцип работы немного похожу на ИППН2. В то время, когда ключ Т замкнут происходит процесс накопления энергии индуктивности, питание от источника не попадает в нагрузку из-за диода Д. Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает рассеиваться в нагрузке.

Ток продолжает течь через индуктивность, возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т.е. в узле соединения эмиттера транзистора (сток, если транзистор полевой), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.

Коэффициент преобразования ИППН3 равен:

Путем несложных подстановок коэффициента заполнения в формулу, мы определим, что до величины D в 0.5, этот преобразователь выступает в роли понижающего, а свыше – повышающего.

Как управлять такими преобразователем?

Описывать все варианты построения ШИМ-контроллеров можно бесконечно долго, об этом можно написать несколько томов технической литературы. Я же, хочу ограничиться перечислением нескольких простых вариантов:

1. Собрать схему несимметричного мультивибратора. Вместо VT3 подключается транзистор в схемах ИППН-ов.

Схема инвертирующего преобразователя напряжения

2. Чуть более сложный вариант, но более стабильный в плане частоты – это ШИМ на NE555 (для увеличения нажмита на картинку).

ШИМ на NE555

На схеме сделать правки, VT1 – это транзистор, изменяем схему так, чтобы на его месте был транзистор ИППН.

3. Вариант использовать микроконтроллер, так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут AVR микроконтроллеры. Есть прекрасный видеоурок об этом.

Выводы

Импульсные преобразователи напряжения – это очень важная тема в отрасли блоков питания для радиоэлектронной аппаратуры. Подобные схемы используются повсеместно, а, в последнее время, с ростом «самодельщиков» или как это сейчас модно называть «DIY’щиков» и популярностью сайта aliexpress такие преобразователи стали особенно популярны и востребованы, вы можете заказать готовую плату ставшего уже классическим, преобразователя на LM2596 и подобных всего за пару долларов, при этом вы получите возможность регулировки напряжения или тока, или и того и другого.

Преобразователь напряжения на LM2596

Схема преобразователя напряжения

Другая популярная плата – это mini-360

Преобразователь напряжения

Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствует транзистор. Дело в том, что он встроен в микросхему, кроме него там находится ШИМ-контроллер, цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения и другое. Тем не менее эти схемы могут усиливаться установкой дополнительного транзистора.

Если вам интересно спроектировать схему под ваши нужды, тогда более подробно с расчётными соотношениями вы можете ознакомится в следующей литературе:

«Компоненты для построения источников питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, Группа компаний «Симметрон»

«Стабилизированные транзисторные преобразователи» В.С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.

Источник

Повышающие преобразователи постоянного тока.

Для получения высокого напряжения в системах с питанием от батарей или аккумуляторов используют последовательное включение нескольких питающих элементов. Однако из-за ограничений, накладываемых на габариты устройств, это не всегда возможно.

Выход — в использовании повышающих импульсных преобразователей постоянного тока. Принцип их действия основан на применении магнитного поля катушки индуктивности для поочередного запасания энергии и передачи ее в нагрузку с другим уровнем напряжения. Благодаря малым потерям они хорошо подходят для задач, где требуется высокий КПД. Для снижения пульсаций выходного напряжения к выходу преобразователя подключаются конденсаторы. Повышающие импульсные преобразователи, обсуждаемые в этой статье, используются для получения более высокого напряжения, в то время как понижающие импульсные преобразователи, обсуждавшиеся в предыдущей статье [1], нужны для получения более низкого напряжения. Напомним, импульсные преобразователи, имеющие внутренние ключи на полевых транзисторах, называются регуляторами, а устройства, для которых необходимы внешние полевые транзисторы, — контроллерами импульсных преобразователей.

Читайте также:  При оценке электродинамического действия тока кз учитывается ток

Повышение напряжения становится возможным благодаря свойству катушки индуктивности противостоять изменениям тока. В процессе заряда катушка индуктивности играет роль нагрузки и запасает энергию, а в процессе разряда она играет роль источника энергии. Напряжение в фазе разряда зависит от скорости изменения тока, а не от исходного заряжающего напряжения. Это позволяет получить выходное напряжение, отличное от напряжения на входе.

Повышающий регулятор, упрощенная схема которого приведена на рис. 1, состоит из двух ключей, двух конденсаторов и катушки индуктивности.

Схема повышающего преобразователя

Рис. 1. Схема повышающего преобразователя, отражающая две основные фазы его работы

Во избежание нежелательного «сквозного тока» управление ключами осуществляется таким образом, что только один из них активен в отдельно взятый момент времени. В фазе 1 (tON) ключ В разомкнут, а ключ А замкнут. Катушка индуктивности подключена к «земле», и ток протекает от VIN на «землю». Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет положительную полярность, ток возрастает, и в катушке индуктивности запасается энергия. В фазе 2 (tOFF) ключ А разомкнут, а ключ В замкнут. Катушка индуктивности подключена к нагрузке, и ток протекает от VIN в нагрузку. Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет отрицательную полярность, ток убывает, и энергия, запасенная в катушке индуктивности, передается в нагрузку. Указанные параметры двухфазового режима работы представлены на рис. 2 в виде временных диаграмм.

Временные диаграммы работы повышающего преобразователя

Рис. 2. Временные диаграммы работы повышающего преобразователя

Импульсный преобразователь может работать в непрерывном или прерывистом режиме. При работе в непрерывном режиме (continuous conduction mode, ССМ) ток через катушку индуктивности никогда не падает до нуля. При работе в прерывистом режиме (discontinuous conduction mode, DCM) ток через катушку индуктивности может падать до нуля. Уровень пульсаций тока, обозначенный на рис. 2 как ΔIL, определяется по формуле ΔIL = (VIN×tON)/L. В нагрузку попадает постоянный ток, равный среднему значению тока через катушку индуктивности, а ток пульсаций протекает через выходной конденсатор.

Схема повышающего импульсного преобразователя включает в себя генератор, контур управления с ШИМ и коммутируемые полевые транзисторы (рис. 3).

Схема повышающего импульсного преобразователя

Рис. 3. Схема повышающего импульсного преобразователя

Преобразователи, в которых в качестве ключа В используется диод Шоттки, называются асинхронными, а преобразователи, в которых в качестве ключа В используется полевой транзистор, — синхронными. В схеме на рис. 3 ключи А и В реализованы с помощью внутреннего полевого транзистора с каналом N-типа и внешнего диода Шоттки соответственно, и, таким образом, она представляет собой асинхронный повышающий импульсный регулятор. В системах с пониженным энергопотреблением, в которых требуются изоляция нагрузки и малый ток в неактивном состоянии, можно добавить внешние полевые транзисторы, как показано на рис. 4. Подача напряжения ниже 0,3 В на вывод EN устройства отключает преобразователь и полностью отсоединяет вход от выхода.

Типичная схема включения ADP1612/ADP1613

Рис. 4. Типичная схема включения ADP1612/ADP1613

Основным рабочим режимом в современных повышающих синхронных импульсных преобразователях является режим широтно-импульсной модуляции. При этом частота импульсов поддерживается постоянной, а их длительность (tON) изменяется для регулировки выходного напряжения. Средняя мощность, выдаваемая в нагрузку, пропорциональна коэффициенту заполнения импульсной последовательности:

Формула

Например, при желаемом выходном напряжении 15 В и доступном входном напряжении 5 В:

Формула

Вследствие закона сохранения энергии входная мощность равна сумме мощности, выдаваемой в нагрузку, и любых потерь. Ввиду высокой эффективности преобразования небольшими потерями при вычислении мощности можно пренебречь. Таким образом, входной ток можно аппроксимировать выражением:

Формула

Так, например, если ток нагрузки равен 300 мА при выходном напряжении 15 В, то IIN = 900 мА при входном напряжении 5 В, то есть примерно в три раза больше выходного тока. Таким образом, с ростом выходного напряжения доступный ток нагрузки убывает.

Для стабилизации выходного напряжения в повышающих преобразователях используется обратная связь по напряжению или по току. Управляющий контур позволяет поддерживать уровень выходного напряжения при изменении нагрузки. Повышающие импульсные преобразователи для систем с малым энергопотреблением обычно работают с частотой импульсов в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц. Работа на высокой частоте коммутации позволяет использовать катушки индуктивности меньших габаритов, однако при каждом удвоении частоты КПД падает примерно на 2%. В повышающих импульсных преобразователях ADP1612 и ADP1613 частоту коммутации можно выбрать при помощи вывода FREQ. При подключении вывода FREQ к «земле» устанавливается частота 650 кГц, при которой достигается максимальный КПД, а при подключении вывода FREQ к VIN устанавливается частота 1,3 МГц, позволяющая уменьшить габариты внешних компонентов.

Катушка индуктивности, являющаяся ключевым компонентом повышающего импульсного преобразователя, запасает энергию в интервале tON и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в интервале tOFF. Для достижения компромисса между малым уровнем пульсаций тока через катушку индуктивности и высоким КПД в техническом описании ADP1612/ADP1613 рекомендуется использовать катушки индуктивности с номиналом от 4,7 до 22 мкГн. В общем случае, при одинаковых размерах, катушка с малой индуктивностью обладает бóльшим током насыщения и меньшим последовательным сопротивлением, однако при этом она также имеет больший пиковый ток, что может приводить к снижению КПД, повышенным пульсациям и росту шума. Для уменьшения габаритов катушки индуктивности и повышения стабильности лучше использовать повышающий импульсный преобразователь, работающий в прерывистом режиме. Пиковый ток через катушку индуктивности (максимальный входной ток плюс половина тока пульсаций) должен быть ниже номинального тока насыщения катушки, а максимальный постоянный входной ток должен быть ниже предельного рабочего среднеквадратического тока катушки индуктивности.

Ключевые спецификации и определения повышающего импульсного преобразователя

Диапазон входных напряжений

Диапазон входных напряжений повышающего импульсного преобразователя определяет наименьшее полезное входное напряжение питания.

Ток по цепи заземления (рабочий ток)

IQ — это постоянный ток смещения, не поступающий в нагрузку. Устройства с малым значением IQ дают больший КПД. Параметр IQ может быть указан в спецификации для различных условий работы.

Ток в неактивном режиме

Это входной ток, потребляемый при неактивном уровне сигнала на выводе разрешения. Малое значение этого тока важно для поддержания долговременной работы в режиме ожидания, когда устройство находится в «спящем» режиме.

Коэффициент заполнения импульсной последовательности

Рабочий коэффициент заполнения импульсной последовательности должен быть меньше максимального коэффициента заполнения импульсной последовательности; в противном случае стабилизация выходного напряжения поддерживаться не будет. Так, например при VIN = 5 В и VOUT = 15 В, D = (VOUT VIN)/VOUT = 67%. Максимальный коэффициент заполнения импульсной последовательности у ADP1612 и ADP1613 составляет 90%.

Диапазон выходных напряжений

Точнее — диапазон поддерживаемых выходных напряжений. Выходное напряжение повышающего импульсного преобразователя может быть фиксированным или регулируемым. Во втором случае для задания желаемого выходного напряжения используются внешние резисторы.

Предельный ток

В спецификациях на повышающие импульсные преобразователи обычно указывается предельный пиковый ток, а не ток нагрузки. Обратите внимание на то, что чем больше разница между VIN и VOUT, тем меньше доступный ток нагрузки. Максимальный доступный выходной ток определяется пиковым предельным током, входным напряжением, выходным напряжением, значением частоты коммутации и номиналом катушки индуктивности.

Стабилизация по входному напряжению

Стабилизация по входному напряжению — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением входного напряжения.

Стабилизация по току нагрузки

Стабилизация по току нагрузки — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением выходного тока.

Мягкий запуск

Важно, чтобы повышающие импульсные преобразователи имели функцию мягкого запуска, которая бы обеспечивала контролируемое линейное нарастание выходного напряжения во избежание чрезмерных выбросов выходного напряжения. Интервал мягкого запуска некоторых повышающих импульсных преобразователей можно регулировать при помощи внешнего конденсатора. Когда конденсатор мягкого запуска заряжается, он ограничивает пиковый ток. Регулируемый мягкий запуск позволяет изменять время запуска в соответствии с требованиями системы.

Отключение при перегреве (Thermal Shutdown, TSD)

Если температура полупроводникового перехода становится выше определенного предельного значения, схема отключения при перегреве отключает преобразователь. Повышенная температура полупроводниковых переходов может быть следствием работы при повышенном токе, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Схема защиты от перегрева имеет гистерезис, который предотвращает возврат схемы в нормальный рабочий режим до тех пор, пока температура кристалла не станет ниже предустановленного значения.

Блокировка при пониженном напряжении (Undervoltage lockout, UVLO)

Если входное напряжение становится ниже порогового значения, то микросхема автоматически отключает ключ цепи питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает возможное ошибочное поведение при низких входных напряжениях и включение мощного устройства в условиях, когда невозможно обеспечение его нормальной работы.

Источник