Преобразователь повышающий: Купить DC-DC преобразователь повышающий 5-35 / 6-45В, 4А, XL6009 (LM2577)

Повышающий преобразователь MT3608. Исследование эффективности и переделка в светодиодный драйвер.

Здесь уже было несколько обзоров на данный преобразователь. Я постараюсь поподробнее исследовать его эффективность в режиме работы от литиевого аккумулятора. Также будет доработка до регулируемого источника тока для установки в кемпинговую лампу с заменой свинцового аккумулятора на литиевый. В обзоре будет много рисунков, фотографий, формул и графиков, а ещё расчленёнка и небольшой DIY-бонус.

Disclaimer

Приборы, использованные при составлении обзора, не имеют метрологической поверки и полученные на них результаты не являются измерениями в метрологическом смысле этого слова. Естественно, они полностью работоспособны и взаимный разброс показаний не превышает 1% (специально проводил сравнение пару месяцев назад). Тем не менее, полученные значения рекомендуется использовать только для относительных сравнений (что и было целью работы).
В обзоре нет ничего революционного или оригинального.

Приведённая информация рассчитана на начинающих радиолюбителей и едва ли заинтересует паял 80-го уровня.

Цель и объект доработки

Давным давно в далёкой, далёкой галактике мне подарили светодиодную кемпинговую лампу «Яркий луч» T-20LA.

Внутри лампы была неприлично примитивная схема со свинцовым аккумулятором на 6 В и 4 Ач. Зарядка лампы производилась внешним сетевым блоком питания на 12 В и несколько сотен миллиампер (валяется где-то в радиохламе, лень искать для фотографирования) через токоограничительные резисторы с грубой индикацией процесса зарядки без автоматического отключения. Надо было следить за временем заряда и отключать вручную. Напряжение с аккумулятора просто подаётся на светодиоды через примитивный резистивный драйвер (токозадающие резисторы).

Аккумулятор давно потерял свою ёмкость и превратился в подставку для канцтоваров.

В нижней части лампы находится крышка, открутив которую можно получить доступ в аккумуляторный отсек. Подсоединение аккумулятора выполняется плоскими автомобильными клеммами. Рама для крепления аккумулятора съёмная. На ней размещается плата с разъёмом питания и зарядной частью электроники. Питание с аккумулятора подаётся на два металлических прутка, которые являются шинами питания и одновременно скрепляют верхнюю и нижнюю части лампы.


В верхней части лампы под крышкой с байонетным соединением находится плата с выключателем питания (вращающийся диск как на мультиметрах) и токозадающими резисторами.

Светодиоды располагаются на четырёх платах, установленных в съёмной пластиковой кассете. В лампе четыре платы. На каждой плате по пять светодиодов. Всего 20 штук.

Светодиоды стандартные 5мм. На платах и между ними реализовано параллельное соединение. Падение напряжения на диодах при рабочем токе 20 мА составляет 3,25 В, что и объясняет такую схему. Последовательное соединение двух (групп) светодиодов аккумулятор уже не потянул бы. С резистивным драйвером рабочий режим (20шт х 20мА = 400 мА) достигается при напряжении на аккумуляторе 6,3 В. При изменении напряжения ток, естественно, тоже меняется. В этом минус резистивного драйвера, да и эффективность у него в данном случае
Pсд/Pакк=Uсд/Uакк=3,25/6,3=52%
После смерти аккумулятора, лампа валялась без дела, ожидая лучших времён. И вот они настали.

Почитав обзоры на повышающий преобразователь MT3608 (раз, два) решил заказать себе такой для экспериментов. Основные особенности преобразователя уже описаны в этих обзорах, поэтому я не буду повторяться.
Вспомнив о нескольких устройствах валяющихся дома и ожидающих ремонта системы питания, взял с запасом сразу 10 преобразователей (как потом оказалось, не зря). У того же продавца набрал ещё немного всякой мелочёвки, чтобы лишний раз на почту не бегать. Пришёл весь комплект примерно через месяц в стандартном жёлтом пакете с «пупыркой». Все преобразователи упакованы в индивидуальные антистатические пакеты.

Сразу все проверил, чтобы отписаться в отзыве продавцу, если что не так. Все оказались рабочими, только один я сам сжёг во время проверки. В полученных экземплярах выходное напряжение регулировалось во всём диапазоне работы подстроечного резистора (в отличие от плат из более ранних обзоров). Лазил по плате и щупами тестера случайно замкнул обратную связь на землю (2 и 3 выводы МС). Мгновенно получил плату с КЗ по входу и «мёртвой» микросхемой 🙁
Объяснение отличий в поведении схемы нашёл, когда при доработке снял подстроечный резистор. Разводка платы отличалась от той, которая бозревалась раньше (на фотографии для сравнения показана плата из обзора mySKU.me/blog/aliexpress/37152.html, автор ksiman). Теперь выводы резистора, которые в комментариях к обзорам рекомендовалось соединять самостоятельно, соединены дорожками. Других отличий в схеме нет. Выходной конденсатор всё так же расположен где-то в ж… в удалении от выхода. Значит китайцы не читали муську, а просто сделали универсальный вариант платы с возможностью установки постоянного резистора (свободное место присутствует) вместо подстроечного для варианта с фиксированным выходным напряжением.

Смысл дальнейших действий

Мне требовалось запитать от этого преобразователя четыре платы с пятью параллельно соединёнными светодиодами на каждой (по 100 мА на плату). Платы я мог соединять произвольно. Особенностью светодиодов (как и обычных диодов) является сильная нелинейность вольтамперной характеристики. По этой причине для них нормируется ток, а не напряжение, которое может иметь существенный разброс при фиксированном токе. Из этих соображений предпочтительным способом соединения нескольких светодиодов является последовательное с управлением общим током. Менять соединение в пределах каждой платы я не стал. Для 20 светодиодов напряжение питания составило бы около 65 В. Преобразователь же даёт не более 28. Но можно по разному соединить платы. Реально есть 3 варианта:
— все 4 параллельно (оставить как было) и переделать преобразователь в SEPIC, как в обзоре kirich-а, напряжение 3,25 В, ток 400 мА,
— последовательно соединить две пары с параллельным соединением в парах (схема 2S2P), требуемое напряжение 6,5 В, ток 200 мА,
— последовательное соединение всех 4-х плат (схема 4P), требуемое напряжение 13 В, ток 100 мА.
Первый вариант я отбросил как наиболее трудоёмкий и неправильный с точки зрения оптоэлектроники. Оставшиеся два требовали сравнения по эффективности. Документации на MT3608 для этого было явно недостаточно. Литиевый аккумулятор выдаёт не 5 вольт и тем более не 13.

Основной целью исследований была оценка эффективности работы преобразователя при различных выходных напряжениях и токах. Был собран небольшой проверочный стенд из одного произвольно выбранного преобразователя, лабораторного блока питания, имитирующего литиевый аккумулятор, двух тестеров (контроль напряжения и тока на выходе преобразователя) и электронной нагрузки.

На данном этапе я ещё не менял расположение выходного конденсатора, поэтому для сглаживания пульсаций выходного напряжения добавил электролит на 2200 мкФ. После этого показания вольтметра перестали скакать. Ещё добавил термопару на саму микросхему MT3608, но это оказалось лишним. Я не ставил целью проводить стресс-тест преобразователя или доводить его до перегрева, поэтому прекращал повышение выходного тока, когда начиналось резкое падение выходного напряжения. При этом температура микросхемы немного превышала 60 градусов, дроссель и диод грелись ещё меньше.

Эффективность преобразователя оценивалась при четырёх значениях входного напряжения:
— 2,5 В, типовой порог срабатывания защиты литиевых аккумуляторов (DW01 и т.п.),
— 3,0 В, минимальное безопасное напряжение разряда,
— 3,6 В, номинальное напряжение (наихудший вариант),
— 4,2 В, максимальное безопасное напряжение на аккумуляторе.
Забегая вперёд скажу, что я использовал в данной работе аккумуляторы без маркировки, поэтому и ориентировался на типовые значения. Для идентифицированных банок, естественно, посмотрел бы в даташите.
Выходные напряжения выбирались в диапазоне от 5 В (на случай, если захочется сделать на этом преобразователе повербанк) до 13 В (максимальное напряжение на моей модели нагрузки и соединение плат светодиодов по схеме 4Р, вот такое совпадение). Выходной ток регулировался от 100 мА до момента «завала» выходного напряжения. Графики получились не такими гладкими, как я ожидал, но на большую статистику с усреднением у меня бы уже терпения не хватило. Так что извиняйте.




На данном этапе уже можно сделать промежуточные выводы:
— эффективность преобразователя увеличивается при увеличении входного напряжения, но это ничего не даёт, т.к. оно определяется аккумулятором и не регулируется,
— эффективность уменьшается при увеличении выходного напряжения, в моём случае последовательное соединение плат со светодиодами получается чуть менее эффективным,
— наибольшая эффективность достигается при выходном токе 200…300 мА, опять же преимущества у схемы 2S2P.
Первый пункт можно было просто посмотреть в документации на MT3608
, но остальные дали повод для предварительного выбора менее «правильной» схемы 2S2P.
Ещё явно отметил, что выходное напряжение начинает уменьшаться, а температура повышаться, когда входной ток превышает 2 А. В лампе токи будут меньше, но в дальнейшем именно это значение (ну максимум 2,5 А) буду считать предельным для MT3608 без дополнительного охлаждения и при сохранении приличной эффективности. Раз уж у меня в наличии девять преобразователей, решил проверить разброс параметров. Полный повтор всех режимов полностью отбил бы у меня желание доводить работу до конца, поэтому воспроизвёл только самый интересный. Входное напряжение 3,6 В, выходное 5 В. Оценим, насколько хороши эти преобразователи для самодельных ПБ.



Красным цветом выделен преобразователь, участвовавший в предшествующих тестах. Видно, что больше ампера с преобразователей не снять (на разряженном аккумуляторе всё будет ещё хуже). Два экземпляра уже при 1,4 А ушли ниже 4,75 В (минимально допустимое значение для USB). На свежезаряженном литии можно будет и полтора ампера вытянуть, но во всём рабочем диапазоне 1А это предел для MT3608.

Вот ещё пара графиков

Как я уже говорил выше, при входном токе больше 2,5 А на выходе преобразователя начинается сильный завал параметров.

Переделка в светодиодный драйвер

Для «правильного» питания светодиодов необходим источник со стабилизацией выходного тока, а MT3608 стабилизирует напряжение. Переделку сделать не сложно. Обычно источник питания подстраивает выходные параметры на основании информации, получаемой по входу обратной связи (FeedBack). При стабилизации напряжения сигнал берётся с резистивного делителя, подключенного к выходу источника. При стабилизации тока – с шунта, включённого последовательно с нагрузкой. Есть и другие схемы (например, оба типа источников можно сделать на линейных стабилизаторах), но эти самые распространённые. Источник питания будет менять напряжение (ток) на выходе пока на входе обратной связи не будет достигнуто определённое напряжение (у MT3608 оно равно 0,6 В).

Выпаяв резисторы делителя из преобразователя, сделал макет. Для проверки разных способов соединения светодиодов параллельно с шунтом поставил высокоомный делитель (схему см. ниже) с переменным резистором с удобной крутилкой, найденным в домашних запасах. Во время экспериментов спалил ещё один преобразователь. Подал питание, когда вход обратной связи не был никуда подключен (не специально, монтажный провод был оборван внутри). Лабораторник сразу ушёл в защиту по току. Опять КЗ по входу преобразователя. Вот такие нежные эти повышающие преобразователи.

На всякий случай проверил две схемы включения плат со светодиодами (2S2P и 4P).

Что? 60%?!!! WTF? Внезапно! Перемерял несколько раз. Без изменений. Режим, который по предшествующим экспериментам должен был обеспечивать эффективность около 90%, дал только 60%. Очень странно. Не должна была переделка так повлиять. Но я не стал ещё на несколько дней закапываться в подробности, т.к. победил более правильный вариант с последовательным подключением. На нём и остановился. Переменный резистор оставил, чтобы менять ток светодиодов в диапазоне от 50 до 100 % от номинального. После окончательного подбора резисторов схема переделки приобрела такой вид:

UPD: По совету более опытных товарищей добавил в схему цепь ограничения выходного напряжения в случае отключения нагрузки. Стабилитрон можно ставить любой на напряжение больше 13 В. В своих запасах такой не нашёл, поэтому поставил последовательно два по 9 В. 2*R=0,2*0,2*12=0,48 Вт, почти без запаса, что не очень хорошо). Для 100 мА рассеиваемая мощность будет 120 мВт, но я не стал менять шунт. Запас по мощности не помешает.

Доработка лампы

Для доработки лампы нашёл в своих запасах несколько литиевых аккумуляторов от какой-то старой ноутбучной батареи. Взял модуль зарядки на TP4056 с защитой, который заказал у того же продавца (тоже взял десяток про запас). Для ввода питания в лампу решил использовать штатную плату с разъёмом 5,5х2,1 мм. Остальные элементы с платы можно выпаивать.

Соединение элементов лампы реализовал по следующей схеме:

В крышке лампы разместил доработанный преобразователь. Выходной конденсатор перенёс на выход платы. Шунт и резисторы делителя припаял непосредственно к плате. Жёсткости выводов оказалось достаточно для надёжной фиксации. Саму плату закрепил на две стойки, которые присутствовали в конструкции крышки, но не были ранее задействованы. Платы со светодиодами соединил последовательно и дополнительно зафиксировал болтающиеся края герметиком. В монтаже максимально задействовал старые провода. Где не хватило, использовал красно-чёрный акустический провод ШВПМ 2х0,5 мм2, который купил когда-то в оффлайновом автомагазине. Теперь использую в домашних поделках для монтажа слабонагруженных силовых цепей.

На раме аккумуляторного отсека кабельными стяжками закрепил батарею из параллельно соединённых аккумуляторов, стянутых чёрной изолентой. Понимаю, что подрываю устои и разрываю шаблоны. В детстве пользовался только синей, но потом попробовал чёрную. Подсел. Теперь не могу отвыкнуть. 🙂

Там же на двухсторонний скотч приклеил плату зарядки, припаянную к аккумуляторам и старой плате, на которой кроме разъёма питания ничего не осталось. Заряжайку приклеил так, чтобы её светодиоды были направлены в дырку, через которую раньше торчал светодиод индикации зарядки.

Из двух стержней от авторучек и полиморфуса сделал импровизированный световод с рассеивателем, который воткнул туда, где раньше торчал светодиод.


Получилось даже лучше чем было. На фотографии не так эффектно, но в темноте смотрится просто космически.

После сборки лампа сразу заработала. Не имеет никаких внешних признаков доработки (не считая более наглядного индикатора зарядки). Пришлось только стереть маркировку «12 В» под разъёмом питания чтобы не вводить в заблуждение будущих пользователей.

Открыв верхнюю крышку, можно получить доступ к расширенным настройкам регулятору яркости. На «внешнем интерфейсе» доступ к регулятору отсутствует, чтобы не смущать неопытных пользователей непонятной крутилкой.

Бонус

В процессе ремонта различных электронных устройств иногда возникает необходимость в востановлении или замене проприетарных (редких, не существующих в разборном варианте, вообще неизвестных) соединителей. Конечно, хорошо иметь в мастерской запас различных разъёмов и не ломать голову, но иногда проще и быстрее восстановить то, что попало в ремонт (если только это не адские варианты типа micro-hdmi) чем рыться в каталогах магазинов разыскивая непонятный коннектор, зная только его внешний вид. Далее будет рассмотрена несложная техника ремонта разъёмов с небольшим количеством контактов на примере изготовления кабеля питания для лампы. Придумано не мной, подсмотрел где-то здесь в комментариях к обзорам разъёмов.
Для работы будет использован уже упомянутый выше провод 2х0,5, неразборный разъём USB-A от неизвестного устройства и древний штекер 5,5х2,1 с рассыпавшимся от времени корпусом. Разъёмы специально подобраны для демонстрации технологии. Так-то у меня в запасе лежит десяток новых каждого типа. Контакты и изоляционные элементы разъёмов должны быть целыми, без следов оплавления и деформаций. С «кривыми» разъёмами в цепях питания лучше не экспериментировать. Допускается только повреждение корпуса (он вообще не пригодится).

С разъёмов удаляются остатки корпусов. Мне попался USB-штекер от какой-то зарядки, были распаяны только контакты питания.

Заготавливается термоусадка для фиксации места ввода кабеля (она же будет выполнять роль амортизатора изгиба) и изоляции корпуса разъёма. Для небольших разъёмов можно обойтись одним куском. Не забываем заранее надеть на кабель нужные куски) Запаиваем, греем (кому чем больше нравится). Кстати, о термоусадке. Когда-то купил два набора по три метра: тонкие трубки (0.8/1.5/2.5/3.5/4.5mm) и толстые трубки (6/7/8/9/10mm). Теперь для подбора нужного диаметра просто выбираю подходящий из пучка, висящего на рабочем месте.

Полученный кабель полностью выполняет свои функции и прекрасно помещается в аккумуляторном отсеке лампы на время хранения. Выглядит не хуже покупного, радует владельца возможностью продемонстрировать нищебродство хозяйственность и даёт +1 к инженерным навыкам.

ПОВЫШАЮЩИЙ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

   Собрал недавно один цифровой прибор на микроконтроллере, и встал вопрос о его питании в походных условиях, ему надо напряжение 12 вольт, а ток примерно 50 мА. Тем более, он очень чувствителен к пульсации напряжения и из нескольких импульсных блоков питания, от какой-то аппаратуры он работать не захотел. Поискав в интернете, нашел один из самых оптимальных и дешевых вариантов: повышающий преобразователь DC-DC на микросхеме MC34063. Для расчёта можно использовать программу – калькулятор. Вставил параметры которые нужны (он может работать как повышающий и понижающий) и получил вот такой результат:

   Напряжение питания микросхемы не должно превышать 40 вольт, а ток не более 1.5 А. Печатные платы есть в сети и под smd детали, но у меня их нет в наличии, поэтому решил делать свою. Обратите внимание, что там нарисованы два сопротивления по 0.2 Ом. У меня был только 5-ти ваттный, поэтому и делал под него, но если бы нашел по меньше впаял бы в другое место, а лишнее отрезал.

   Вместо сопротивления на R1- 1.5 кОм, поставил подстроечный на 5 кОм, чтобы регулировать выходное напряжение. Кстати, регулирует в довольно приличных пределах от 7 до 16, можно и больше но конденсатор выходной стоит на 16 вольт, поэтому дальше не поднимал.

   А теперь коротко работе преобразователя. Подал 3 вольта, отрегулировал (R1) выход 12 вольт – и это напряжение он держит при снижении питания до 2.5 вольта, и поднятии до 11 вольт! 

 

 

   Остаётся ещё добавить, что при питании от 2,5 В и нагрузке 20 мА, схема потребляет 220 мА. Другие характеристики, а также чертёж печатной платы, вы можете посмотреть на форуме.

   Форум по преобразователям

   Форум по обсуждению материала ПОВЫШАЮЩИЙ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

---

ИК ДАТЧИК ПРИБЛИЖЕНИЯ Инфракрасный датчик приближения объектов к транспортным средствам – схема для самостоятельной сборки на базе E18-D80NK.

Регулируемый повышающий преобразователь напряжения своими руками.

Повышающий преобразователь напряжения DC DC

Это DC-DC преобразователь напряжения с 5-13 В на входе, до 12 В выходного постоянного тока 1,5 А. Преобразователь получает меньшее напряжение и дает более высокое на выходе, чтобы использовать там где есть напряжение меньшее требуемых 12 вольт. Часто он используется для увеличения напряжения имеющихся батареек. Это по сути интегральный DC-DC конвертер. Для примера: есть литий-ионный аккумулятор 3,7 В, и его напряжение с помощью данной схемы можно изменить, чтобы обеспечить необходимые 12 В на 1,5 А.

Преобразователь легко построить самостоятельно. Основным компонентом является микросхема MC34063, которая состоит из источника опорного напряжения (температурно-компенсированного), компаратора, генератора с активным контуром ограничения пикового тока, вентиля (элемент “И”), триггера и мощного выходного ключа с драйвером и требуется только несколько дополнительных электронных компонентов в обвязку для того чтобы он был готов. Эта серия микросхем была специально разработана, чтобы включены их в состав различных преобразователей.

Достоинства микросхемы MC34063A

• Работа от 3 до 40 В входа
• Низкий ток в режиме ожидания
• Ограничение тока
• Выходной ток до 1,5 A
• Выходное напряжение регулируемое
• Работа в диапазоне частот до 100 кГц
• Точность 2%

Описание радиоэлементов

• R – Все резисторы 0,25 Вт.
• T – TIP31-NPN силовой транзистор. Весь выходной ток проходит через него.
• L1 – 100 мкГн ферритовые катушки. Если придётся делать самостоятельно, нужно приобрести тороидальные ферритовые кольца наружным диаметром 20 мм и внутренним диаметром 10 мм, тоже 10 мм высотой и проволоку 1 – 1,5 мм толщиной на 0,5 метра, и сделать 5 витков на равных расстояниях. Размеры ферритового кольца не слишком критичны. Разница в несколько (1-3 мм) приемлема.
• D – диод Шоттки должен быть использован обязательно
• TR – многовитковый переменный резистор, который используется здесь для точной настройки выходного напряжения 12 В.
• C – C1 и C3 полярные конденсаторы, поэтому обратите внимание на это при размещении их на печатной плате.

Список деталей для сборки

1. Резисторы: R1 = 0.22 ом x1, R2 = 180 ом x1, R3 = 1,5 K x1, R4 = 12K x1
2. Регулятор: TR1 = 1 кОм, многооборотный
3. Транзистор: T1 = TIP31A или TIP31C
4. Дроссель: L1 = 100 мкГн на ферритовом кольце
5. Диод: D1 – шоттки 1N5821 (21V – 3A), 1N5822 (28V – 3A) или MBR340 (40В – 3A)
6. Конденсаторы: C1 = 100 мкФ / 25V, C2 = 0.001 мкФ, C3 = 2200 мкФ / 25V
7. Микросхема: MC34063
8. Печатная плата 55 x 40 мм

Заметим, что необходимо установить небольшой алюминиевый радиатор на транзистор T1 – TIP31, в противном случае этот транзистор может быть поврежден из-за повышенного нагрева, особенно на больших токах нагрузки. Даташит и рисунок печатной платы

Устройствами с батарейным питанием сейчас уже никого не удивишь, всевозможных игрушек и гаджетов питающихся от аккумулятора или батарейки найдется с десяток в каждом доме. Между тем, мало кто задумывался над количеством разнообразных преобразователей, которые используются для получения необходимых напряжений или токов от стандартных батарей. Эти самые преобразователи делятся на несколько десятков различных групп, каждая со своими особенностями, однако в данный момент времени мы говорим про понижающие и повышающие преобразователи напряжения, которые чаще всего называются AC/DC и DC/DC преобразователями. В большинстве случаев для построения таких конвертеров используются специализированные микросхемы, позволяющие с минимальным количеством обвязки построить преобразователь определенной топологии, благо микросхем питания на рынке сейчас великое множество.

Рассматривать особенности применения данных микросхем можно бесконечно долго, особенно с учетом целой библиотеки даташитов и аппноутов от производителей, а также бесчисленного числа условно-рекламных обзоров от представителей конкурирующих фирм, каждая из которых старается представить свой продукт наиболее качественным и универсальным. В этот раз мы будем использовать дискретные элементы, на которых соберем несколько простейших повышающих DC/DC преобразователей, служащих для того, чтобы запитать небольшое маломощное устройство, к примеру, светодиод, от 1 батарейки с напряжением 1,5 вольт. Данные преобразователи напряжения можно смело считать проектом выходного дня и рекомендовать для сборки тем, кто делает свои первые шаги в удивительный мир электроники.

На данной схеме представлен релаксационный автогенератор, представляющий собой блокинг-генератор со встречным включением обмоток трансформатора. Принцип работы данного преобразователя следующий: при включении, ток протекающий через одну из обмоток трансформатора и эмиттерный переход транзистора – открывает его, в результате чего он открывается и больший ток начинает течь через вторую обмотку трансформатора и открытый транзистор. В результате в обмотке, подключенной к базе транзистора наводится ЭДС, запирающая транзистор и ток через него обрывается. В этот момент энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, в результате явления самоиндукции, высвобождается и через светодиод начинает протекать ток, заставляющий его светиться. Затем процесс повторяется.

Компоненты, из которых можно собрать этот простой повышающий преобразователь напряжения, могут быть совершенно различными. Схема, собранная без ошибок, с огромной долей вероятности будет корректно работать. Мы пробовали использовать даже транзистор МП37Б – преобразователь отлично функционирует! Самым сложным является изготовление трансформатора – его надо намотать сдвоенным проводом на ферритовом колечке, при этом количество витков не играет особой роли и находится в диапазоне от 15 до 30. Меньше – не всегда работает, больше – не имеет смысла. Феррит – любой, брать N87 от Epcos не имеет особого смысла, также как и разыскивать M6000НН отечественного производства. Токи в цепи протекают мизерные, поэтому размер колечка может быть очень небольшим, внешнего диаметра в 10 мм будет более чем достаточно. Резистор сопротивлением около 1 килоома (никакой разницы между резисторами номиналом в 750 Ом и 1,5 КОм обнаружено не было). Транзистор желательно выбрать с минимальным напряжением насыщения, чем оно меньше – тем более разряженную батарейку можно использовать. Экспериментально были проверены: МП 37Б, BC337, 2N3904, MPSh20. Светодиод – любой имеющийся, с оговоркой, что мощный многокристальный будет светиться не в полную силу.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

Размер платы 15 х 30 мм, и может быть уменьшен до менее чем 1 квадратного сантиметра при использовании SMD-компонентов и достаточно маленького трансформатора. Без нагрузки данная схема не работает.

Вторая схема – это типовой степ-ап преобразователь, выполненный на двух транзисторах. Плюсом данной схемы является то, что при её изготовлении не надо мотать трансформатор, а достаточно взять готовый дроссель , но она содержит больше деталей, чем предыдущая.

Принцип работы сводится к тому, что ток через дроссель периодически прерывается транзистором VT2, а энергия самоиндукции направляется через диод в конденсатор C1 и отдается в нагрузку. Опять же, схема работоспособна с совершенно различными компонентами и номиналами элементов. Транзистор VT1 может быть BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диод VD1 – любой диод Шоттки, например, 1N5818. Конденсатор C1 – любого типа, емкостью от 1 до 33 мкФ, больше не имеет смысла, тем более, что можно и вовсе обойтись без него. Резисторы – мощностью 0,125 или 0,25 Вт (хотя можно поставить и мощные проволочные, ватт эдак на 10, но это скорее расточительство чем необходимость) следующих номиналов: R1 – 750 Ом, R2 – 220 КОм, R3 – 100 КОм. При этом, все номиналы резисторов могут быть совершенно свободно заменены на имеющие в наличии в пределах 10-15% от указанных, на работоспособности правильно собранной схемы это не сказывается, однако влияет на минимальное напряжение, при котором может работать наш преобразователь.

Самая важная деталь – дроссель L1, его номинал также может отличаться от 100 до 470 мкГн (экспериментально проверены номиналы до 1 мГн – схема работает стабильно), а ток на который он должен быть рассчитан не превышает 100 мА. Светодиод – любой, опять же с учетом того, что выходная мощность схемы весьма невелика.Правильно собранное устройство сразу же начинает работать и не нуждается в настройке.

Напряжение на выходе можно стабилизировать, установив стабилитрон необходимого номинала параллельно конденсатору C1, однако следует помнить, что при подключении потребителя напряжение может проседать и становиться недостаточным. ВНИМАНИЕ! Без нагрузки данная схема может вырабатывать напряжение в десятки или даже сотни вольт! В случае использования без стабилизируещего элемента на выходе, конденсатор C1 окажется заряжен до максимального напряжения, что в случае последующего подключения нагрузки может привести к её выходу из строя!

Преобразователь также выполнен на плате размером 30 х 15 мм, что позволяет прикрепить его на батарейный отсек типа размера AA. Разводка печатной платы выглядит следующим образом:

Обе простые схемы повышающих преобразователей можно сделать своими руками и с успехом применять в походных условиях, например в фонаре или светильнике для освещения палатки, а также в различных электронных самоделках, для которых критично использование минимального количества элементов питания.

Высоковольтный модуль зажигания применяется для самозащиты и изготовления современной техники. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками. Как это сделать и где можно найти готовые изделия, расскажет эта статья.

Описание

Высоковольтный модуль – это блок с 4 проводами, 2 из которых необходимы для подключения питания. Как видим, ничего сложного.

Если нужен высоковольтный модуль, его можно приобрести в интернет-магазине или изготовить собственными руками. Готовое устройство работает от пальчиковых литиевых батареек с 3,6 до 6 вольт на входе. На выходе может выдаваться мощность в 400 вольт.

Генератор имеет в составе 4 провода. Для проверки качества покупки можно взять модуль литий-ионного аккумулятора на 3,7 вольта. По параметрам между электродами должна пролетать искра до 2 см.

Такие работы необходимо производить особенно аккуратно. Разведите провода высоковольтного модуля и подсоедините их к аккумулятору. При подаче питания отмечается звуковой эффект в виде свиста. Также произойдет разряд, длина воздействия которого – 1,5-2 см.

Как это работает

Демонстрация работы модуля высоковольтного преобразователя может производиться с использованием генератора. Для этого необходимо питание от бесперебойника на 12 вольт и лампа на 25 Вт. При подсоединении проводов она горит полным накалом.

Описание изготовления высоковольтных генераторов

Умение мастерить выручает не раз в жизни. К примеру, хорошие высоковольтные генераторы стоят достаточно дорого. К тому же их сложно достать. Но ведь высоковольтный модуль успешно можно изготовить своими руками. Для этого понадобится шаговый двигатель, который может прекрасно работать в режиме генерации.

Прямо на вал шаговика присоединяют ручку, вращают ее и заряжают телефон в походных условиях. Эту зарядку можно изготовить своими руками за несколько минут.

Усовершенствование моделей

Есть множество подобных изобретений, но мощность их недостаточно высока. Для зарядки телефона нужно как минимум 2 Вт на выходе такого моторчика для старой модели мобильного устройства и не менее 5 Вт – для современного смартфона.

Где взять высоковольтный модуль с хорошей мощностью? Попытаемся его сделать самостоятельно. Подберем удобную ручку вращения для шаговика, все выводы проводов подсоединим по схеме. Результирующие выводы постоянного тока будут идти на ваттметр и на нагрузку, которая подобрана под этот двигатель и под обороты по оптимальным параметрам.

Какую же мощность удастся развить на крупном шаговом двигателе при оборотах в количестве 120 в минуту? Начнем опыт. Ваттметр показывает 0,8 Вт при напряжении 6 вольт и токе 0,11-0,12 ампер. При более быстром вращении пиковая цифра достигает 1 ампера, но это при очень быстрых оборотах.

Следовательно, подобное устройство требует усовершенствования. Нужен преобразователь, повышающий обороты в 3-4 раза, чтобы успешно можно было заряжать телефон в походных условиях.

Для этого применяется коллекторный моторчик. Можно сделать ременную передачу на этот двигатель, чтобы повысить его обороты в 3 раза. Получится установка с диаметром шкива, который в 3 раза больше того, который установлен на шаговом двигателе. Теперь такое устройство будет вращаться в 3 раза быстрее, что позволит достигнуть показателей в 2-2,2 Вт. При этом напряжение – 17 вольт, ток – 0,12-0,13 ампер. Такая мощность уже более значительна. Если устройство закрепить на столе, крутить ручку достаточно просто.

Чем больше обороты, тем больше полезной мощности может выдать генератор.

Делаем электрошокер: подготовка

Электрошоковые устройства могут быть очень мощными. Законом разрешено использовать устройства до 3 Ватт, которые не способны нанести тяжкий вред здоровью, но гарантируют довольно сильный удар током и ожог.

Схема устройства следующая:

• источник питания;
• повышающий преобразователь;
• высоковольтный умножитель напряжения.

Можно использовать обычный литий-ионный аккумулятор компактных размеров, лучше – литий-железофосфатный. Он имеет меньшую емкость при одинаковом весе, а номинальное напряжение составляет 3,2 вольт против 3,7 вольта в литий-ионном варианте.

Такое устройство обладает массой преимуществ:

• При собственной емкости всего в 700 мА/часов такой способен отдавать токи в 30-50 А.
• Имеет срок службы 10-15 лет.
• Способен работать при температуре до -30 градусов без утраты емкости и прочих негативных последствий.
• Экологически чист, безопасен, не вздувается и не взрывается.
• Утрачивает емкость гораздо медленнее.
• Не так чувствителен к параметрам зарядного устройства, может быть заряжен большими токами, не перегреваясь.

Для преобразователя можно использовать готовую модель из Китая. Или изготовить его собственными руками. Самое важное в таком устройстве – трансформатор. Его можно взять от дежурного источника неработающего блока питания компьютера. Желательно, чтобы он был удлиненного типа, что облегчит процесс мотания.

Собираем устройство

Трансформатор нужно разобрать, извлечь сердечник и нагревать его паяльной лампой в течение 5-10 минут. Структура клея ослабеет, и половинкам легче будет разъединиться.

Внутри есть зазор. Удаление половинок в сердечнике сменяется этапом смотки всех заводских обмоток, остается только поверхность голого каркаса.

Правила выполнения намоточных движений

Высоковольтный модуль для электрошокера требует, чтобы была выполнена намотка первичного типа трансформаторной обмотки. Длину провода в 0,5 мм складывают в два раза. Оптимальные показатели диаметра – от 0,4 до 0,7 мм. Потребуется намотать не менее 8 витков и вывести второй конец проводов наружу.

Изолируем намотанную обмотку при помощи нескольких слоев фторопласта или прозрачного скотча. К тонкому поводу, толщина которого не более 0,05 мм, припаивается кусок многожильного провода, помещенного в толстую изоляцию.

Места, где была выполнена пайка, изолируем при помощи термоусадки. Выводим провод и фиксируем его термоклеем, чтобы случайно не оборвать в процессе обмотки.

Наматываем первичную обмотку, по 100-120 витков, чередуя ее с несколькими слоями изоляции. По своему принципу намотка проста: ряд – слева направо, второй – справа налево, с изоляцией между ними. Так повторяем от 10 до 12 раз.

После того, как намотка выполнена, провода срезаются, к ним припаиваются многожильные высоковольтные провода и термоусадка. Все фиксируют посредством нескольких слоев прозрачным скотчем и собирают трансформатор.

Если не хотите так долго наматывать витки, можно приобрести готовые модули в китайских интернет-магазинах по вполне доступной стоимости или изготовить высоковольтный модуль своими руками.

Испытание устройства

Следующая часть умножителя напряжения – высоковольтные диоды и конденсаторы, которые можно взять от компьютерного блока питания. Диоды нужны также высоковольтного типа. Их напряжение должно быть от 4 кВт. Такие элементы также можно приобрести в интернет-магазинах.

Корпусом может служить коробка от фонарика или плеера, но обязательно из диэлектрического материала: пластмассы, бакелита, стеклотекстолита.

Умножитель с высоковольтным преобразователем рекомендуется залить эбокситной смолой, расплавленным воском или термоклеем. Последний может сильно деформировать корпус, если не поместить его в емкость с холодной водой.

Электроды можно взять от обычной вилки. Шокер снабжен предохранительным выключателем для защиты от случайного включения. Для активации устройства его снимают с предохранителя. Загорается индикаторный светодиод, затем нажимают на кнопку.

Высоковольтный модуль – преобразователь напряжения успешно показывает работоспособность в электрошокере. Зарядное устройство построено на базе микросхемы, где на вход модуля подается напряжение в 5 вольт, на выходе в 3,6 вольта. Такая зарядка позволяет питать девайс от любого USB-порта.

С помощью припоя можно сделать защитные разрядники, ограничивающие длину дуги для безопасной работы высоковольтного преобразователя. Шокер готов.

Изготовление высоковольтного модуля из энергосберегающей лампы

И такое устройство можно без труда изготовить своими руками. Вот только где взять высоковольтный модуль? Можно использовать обычную лампочку накаливания. Вначале мотаем не более 80 мотков. Второй слой – 400-600 витков. Между каждым слоем не забываем делать изоляцию из скотча.

Для испытания устройства подключим его через ограничительную лампочку в 35 Вт. Получился достаточно мощный высоковольтный модуль зажигания.

Сферы применения продукции

Где используется высоковольтный модуль? Такие устройства широко используются для изготовления современной аппаратуры, могут служить лабораторным генератором высокого напряжения. С помощью такого устройства можно построить самодельный шокер, систему для поджигания топлива в форсунке или двигателе.

Можно использовать для обеспечения питания портативного счетчика Гейгера, дозиметра, разновидностей аппаратуры, требующей высоких показателей напряжения с питанием, которое имеет небольшую мощность.

Устройство микросхемы включено в режиме «Мультивибратор» при показателях частоты, регулируемой в зависимости от того, каковы характеристики трансформатора. Высокий уровень, который показывает выходной сигнал тока, протекающий по резистору и первичной обмотке трансформатора, способен зарядить конденсатор 10 мкф. Для того, чтобы изготовить электрошок, потребуется устройство трансформатора, коэффициент умножения которого составляет 1 к 400 и выше.

Для получения искры в 1 мм нужны показатели напряжения около 1000 В. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками.

Как обидно, когда компактную схему портит большущий блок батареек. Бо́льшая часть плат требует стабилизированного напряжения 5 В, поэтому приходится использовать не менее 4 алкалиновых батареек AA или 6 NiMH-аккумуляторов и подключать их через понижающий стабилизатор. Решить эту проблему можно воспользовавшись повышающим стабилизатором, который увеличит напряжение и одновременно сделает его стабильным.

При помощи этого модуля вы можете собрать миниатюрное устройство, питающееся хоть от часовой батарейки на 3 В. Лишь бы хватило токоотдачи батарейки. С тем же успехом можно заменить малоёмкую «Крону» на блок из двух пальчиковых или мизинчиковых батареек.

Выходное напряжение задаётся триммером. Диапазон выходных напряжений – 5-28 В. Разметки на триммере нет, поэтому для проверки правильности задания напряжения потребуется вольтметр .

Минимальное входное напряжение модуля – 2,7 В, что позволяет запитывать устройства всего от одного элемента Li-Ion или двух алкалиновых батареек.

Любые преобразования энергии в реальных условиях сопровождаются потерями. Но мы постарались получить как можно более высокий КПД. Для нашего модуля он составляет 0,8…0,9 в зависимости от разности напряжений на входе и выходе, и тока потребителя.

Чтобы легко было понять, есть на выходе напряжение или нет, мы предусмотрели светодиод. Его яркость почти не зависит от выходного напряжения, т.к. запитывается он через специальную схему.

Основой модуля является микросхема .

Подключение

Подключение этого Troyka-модуля отличается от стандартного: вместо трёхпроводного разъёма он имеет два двухконтактных клеммника. Один из них – это входные питание и земля, другой – выходные. Земли входа и выхода электрически соединены друг с другом. Для удобства мы поместили обозначения «GND», «Vin» и «Vout» прямо на плату рядом с клеммниками.

Характеристики

• Входное напряжение: 2,7-14 В
• Выходное напряжение: 5-28 В
• Максимальный выходной ток: 0,8 А
• КПД: 0,8…0,9 в зависимости от разницы напряжений на входе и выходе, и тока
• Габариты: 25,4×25,4 мм

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

DC/DC преобразователи

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова – прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальные преобразователи – SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи – inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер – конвертер типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр – конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр – LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция – ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.

Рис.3. Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп – время паузы, – транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе – фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Рис.5. Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающие step-up или boost преобразователи

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальные преобразователи – SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц. При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.

Повышающие преобразователи

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Разберитесь в принципах работы повышающих преобразователей.
• • Переключающий транзистор
• • Цепь маховика
• Обратите внимание на ограничения выходного напряжения.
• Распознавайте различные источники входного сигнала.
• Понять взаимосвязь между шириной импульса переключения и выходным напряжением.

Повышающий преобразователь

Импульсные источники питания могут использоваться для многих целей, включая преобразователи постоянного тока в постоянный. Часто, хотя источник постоянного тока, такой как батарея, может быть доступен, его доступное напряжение не подходит для питаемой системы. Например, двигатели, используемые в электромобилях, требуют гораздо более высоких напряжений, порядка 500 В, чем те, которые могут питаться от одной батареи. Даже если бы использовались батареи батарей, дополнительный вес и занимаемое пространство были бы слишком велики, чтобы их можно было использовать на практике.Решением этой проблемы является использование меньшего количества батарей и повышение доступного постоянного напряжения до необходимого уровня с помощью повышающего преобразователя. Другая проблема с батареями, большими или маленькими, заключается в том, что их выходное напряжение изменяется по мере использования доступного заряда, и в какой-то момент напряжение батареи становится слишком низким для питания цепи, на которую подается питание. Однако, если этот низкий выходной уровень может быть снова увеличен до полезного уровня с помощью повышающего преобразователя, срок службы батареи может быть увеличен.

Вход постоянного тока в повышающий преобразователь может поступать от многих источников, а также от батарей, таких как выпрямленный переменный ток от сети или постоянный ток от солнечных панелей, топливных элементов, динамо-машин и генераторов постоянного тока. Повышающий преобразователь отличается от понижающего преобразователя тем, что его выходное напряжение равно или превышает его входное напряжение. Однако важно помнить, что, поскольку мощность (P) = напряжение (V) x ток (I), если выходное напряжение увеличивается, доступный выходной ток должен уменьшаться.

Рис.3.2.1 Базовая схема повышающего преобразователя

На рис. 3.2.1 показана принципиальная схема повышающего преобразователя. Однако в этом примере переключающий транзистор представляет собой силовой полевой МОП-транзистор, при переключении мощности используются как биполярные силовые транзисторы, так и полевые МОП-транзисторы, выбор определяется током, напряжением, скоростью переключения и соображениями стоимости. Остальные компоненты такие же, как и в понижающем преобразователе, показанном на рис. 3.1.2, за исключением того, что их положение было изменено.

Повышающий преобразователь Работа

Рис. 3.2.2 Работа повышающего преобразователя при включении

На рис. 3.2.2 показано действие схемы во время начального высокого периода высокочастотной прямоугольной волны, подаваемой на затвор полевого МОП-транзистора при запуске. В это время полевой МОП-транзистор проводит ток, замыкая короткое замыкание с правой стороны L1 на отрицательную входную клемму питания. Следовательно, ток течет между положительной и отрицательной клеммами питания через L1, который накапливает энергию в своем магнитном поле.В остальной части схемы практически не протекает ток, поскольку комбинация D1, C1 и нагрузки представляет собой гораздо более высокий импеданс, чем путь непосредственно через полевой МОП-транзистор с высокой проводимостью.

Рис. 3.2.3 Токовый путь при выключенном полевом МОП-транзисторе

На рис. 3.2.3 показан путь тока во время низкого периода цикла прямоугольной волны переключения. Поскольку полевой МОП-транзистор быстро выключается, внезапное падение тока заставляет L1 производить обратную ЭДС. с противоположной полярностью по отношению к напряжению на L1 в течение периода включения, чтобы ток не протекал.В результате на L1 последовательно друг с другом соединяются два напряжения: напряжение питания V _IN и противоэдс (V _L ).

Это более высокое напряжение (V _IN + V _L ), теперь, когда нет пути тока через MOSFET, смещает D1 в прямом направлении. Результирующий ток через D1 заряжает C1 до V _IN + V _L за вычетом небольшого прямого падения напряжения на D1, а также питает нагрузку.

Рис. 3.2.4 Токовый путь с MOSFET на

Фиг.3.2.4 показывает действие схемы во время MOSFET в периоды после первоначального запуска. Каждый раз, когда полевой МОП-транзистор проводит, катод D1 более положительный, чем его анод, из-за заряда на C1. Таким образом, D1 выключен, поэтому выход схемы изолирован от входа, однако нагрузка продолжает получать питание V _IN + V _L от заряда на C1. Хотя заряд C1 уходит через нагрузку в течение этого периода, C1 перезаряжается каждый раз, когда MOSFET выключается, таким образом поддерживая почти постоянное выходное напряжение на нагрузке.

Теоретическое выходное напряжение постоянного тока определяется входным напряжением (V _IN ), деленным на 1 минус рабочий цикл (D) сигнала переключения, который будет некоторым числом от 0 до 1 (соответствует от 0 до 100%) и поэтому может быть определена по следующей формуле:

Пример:

Если прямоугольная волна переключения имеет период 10 мкс, входное напряжение составляет 9 В, а включение составляет половину периодического времени, то есть 5 мкс, то выходное напряжение будет:

В _ВЫХ = 9 / (1-0.5) = 9 / 0,5 = 18 В (минус падение напряжения на выходном диоде)

Поскольку выходное напряжение зависит от рабочего цикла, важно, чтобы он точно контролировался. Например, если рабочий цикл увеличился с 0,5 до 0,99, полученное выходное напряжение будет:

В _ВЫХОД = 9 / (1- 0,99) = 9 / 0,01 = 900 В

Однако до достижения этого уровня выходного напряжения, конечно, может возникнуть серьезное повреждение (и задымление), поэтому на практике, если схема не предназначена специально для очень высоких напряжений, изменения в рабочем цикле сохраняются намного ниже, чем указано в этом примере.

Рис. 3.2.5 Работа повышающего преобразователя

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы начать.

Просмотрите пути тока в периоды включения и выключения переключающего транзистора. Обратите внимание, что работа в течение первого периода включения отличается от более поздних периодов, поскольку конденсатор (C) не заряжается до конца первого периода включения.

Посмотрите, как магнитное поле вокруг индуктора растет и схлопывается, и наблюдайте за изменением полярности напряжения на L.

Наблюдайте за эффектом пульсации во время включения и выключения переключающего транзистора.

См. Входное напряжение и обратную ЭДС. В _L добавить, чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное напряжение.

Щелкните паузу, чтобы удерживать видео во включенном или выключенном состоянии.

Нажмите «Воспроизвести», чтобы продолжить воспроизведение видео с точки удержания.

I.C. Повышающий преобразователь

Рис. 3.2.6 Типичный I.C. Повышающий преобразователь (LM27313)

Из-за легкости, с которой повышающие преобразователи могут подавать большие перенапряжения, они почти всегда будут включать некоторые регуляторы для управления выходным напряжением, а их много I.Cs. изготовленные для этой цели Типичный пример I.C. Повышающий преобразователь показан на рис. 3.2.6, в данном примере – LM27313 от Texas Instruments. Этот чип разработан для использования в системах с низким энергопотреблением, таких как КПК, фотоаппараты, мобильные телефоны и устройства GPS.

В этой схеме соответствующая часть выходного напряжения (V _OUT ), зависящая от отношения R2: R3, используется в качестве образца и сравнивается с эталонным напряжением внутри I. C. Это создает напряжение ошибки, которое используется для изменения рабочего цикла переключающего генератора, позволяя получить диапазон автоматически регулируемых повышающих напряжений от 5 В до 28 В.

LM27313 содержит внутренний генератор, работающий на фиксированной частоте около 1,6 МГц. Переключающий транзистор FET также является внутренним и переключает ток через L1 через клемму SW. Также обратите внимание, что для D1 используется диод Шоттки с соответствующими номинальными значениями напряжения и тока, чтобы минимизировать потери из-за прямого падения напряжения на диоде и обеспечить высокую скорость переключения. I.C. также имеет функцию отключения (SHDN), управляемую внешней логикой, с помощью которой повышающий преобразователь может быть отключен, когда он не требуется, для экономии заряда батареи.

Цепи защиты

Другие функции безопасности, обеспечиваемые I.C. отключение по перегрузке по току, при котором переключатель отключается от цикла к циклу, если обнаружен слишком большой ток, и возможность отключения по перегреву.

Устойчивость

Еще одна проблема, с которой сталкиваются разработчики высокочастотных повышающих преобразователей, – это стабильность, поскольку на частотах МГц как отрицательная, так и положительная обратная связь может возникать просто из-за электромагнитных полей, излучаемых между компонентами внутри схемы, особенно там, где компоненты схемы находятся в непосредственной близости, как в макеты поверхностного монтажа.Поэтому C2 добавляется для повышения стабильности и предотвращения возможных колебаний из-за возникновения нежелательной положительной обратной связи.

2A, 40V, Повышающий преобразователь SOT-23 обеспечивает высокую мощность в небольших помещениях

LT1935 – это повышающий стабилизатор тока в крошечном 5-выводном корпусе ThinSOT. Благодаря небольшому корпусу, высокой частоте переключения (1,2 МГц) и внутреннему переключателю питания 2 А, 40 В LT1935 может обеспечивать высокую мощность, занимая при этом очень мало места на печатной плате. Например, от входа 5 В LT1935 выдает средний ток 500 мА и пиковый ток 600 мА при 12 В (7.2 Вт), используя только 100 мм ² печатной платы.

Переключатель мощности LT1935 падает всего на 180 мВ при 2 А, сводя к минимуму потери мощности и повышение температуры на печатной плате. Управление режимом тока и внутренняя компенсация позволяют использовать небольшие керамические конденсаторы, что приводит к очень низким входным и выходным пульсациям. Диапазон входного напряжения составляет от 2,3 В до 16 В. Ток питания в отключенном состоянии составляет менее 1 мкА.

Небольшой размер упрощает проектирование системы во многих приложениях. Большие цифровые системы с плотной компоновкой часто нуждаются в преобразователях точки нагрузки для генерации вторичных логических источников.При минимальном входном напряжении 2,3 В LT1935 может преобразовывать питание логических шин 2,5 В, 3,3 или 5 В в более высокое выходное напряжение. Даже портативная электроника, такая как сотовые телефоны, цифровые камеры и музыкальные плееры, требует пиковых уровней мощности в несколько ватт для управления светодиодами, усилителями звука или большими дисплеями. В этих продуктах всегда уделяется особое внимание пространству.

На рисунке 1 показан LT1935, генерирующий 5 В. Максимальная нагрузка при V _IN = 3,3 В составляет 1 А; от 2,5В максимальная нагрузка 600мА. Обратите внимание, что КПД схемы остается высоким даже при низком входном напряжении и большом токе нагрузки.Биполярный переключатель питания NPN LT1935 поддерживает низкое прямое падение напряжения при минимальном входном напряжении 2,1 В (максимум 2,3 В), в отличие от некоторых МОП-устройств, которые имеют повышенное значение R _{DS, ON} с низким напряжением затвора. Схема на рисунке 1 занимает 80 мм ² . На рисунке 2 показана схема на 12 В, которая генерирует 600 мА от 5 В или 320 мА от 3,3 В. Для этой более мощной цепи требуется 100 мм ² печатной платы.

Рис. 1. LT1935 может выдавать 1 А при 5 В от входа 3,3 В в цепи, занимающей всего 80 мм ² .

Рис. 2. LT1935 выдает 600 мА при 12 В от входа 5 В. Высокая плотность мощности достигается за счет использования внутреннего переключателя 2 А, 40 В, 90 мОм и высокой рабочей частоты 1,2 МГц.

Во время запуска входной ток цепи LT1935 может достигать 3А. Это может вызвать проблемы, если источник входного сигнала ограничен по току или если другие цепи чувствительны к помехам на V _IN . Вывод SHDN можно использовать для мягкого запуска LT1935, уменьшая максимальный входной ток во время запуска.

Вывод SHDN пропускается через внешний RC-фильтр для создания на этом выводе линейного нарастания напряжения. На рис. 3 показаны формы сигналов при пуске со схемой плавного пуска и без нее. Без плавного пуска пиковый входной ток составляет ~ 3 А. При плавном пуске пиковый ток снижается до 1А. Выбирая большую постоянную времени RC, пиковый пусковой ток можно уменьшить до тока, необходимого для регулирования выхода, без выброса. (Значение резистора должно быть выбрано таким образом, чтобы он мог подавать 100 мкА, когда на выводе SHDN достигает 1. 8В.)

Рис. 3. Вывод SHDN можно использовать для мягкого запуска LT1935, уменьшая пиковый входной ток во время запуска.

ЖК-панели

TFT продолжают расти в размерах во всех типах продуктов, от сотовых телефонов до телевизоров. Требования к питанию также растут, но сохраняется базовая потребность в трех напряжениях питания. На рисунке 4 LT1935 выдает три выхода, используя одну катушку индуктивности. При входном напряжении 3,3 В повышающая схема выдает основной выход 8 В при 450 мА. Два дискретных нагнетательных насоса вырабатывают вторичные выходы 16 В и –8 В.

Рис. 4. Этот источник питания TFT-LCD выдает три выхода с использованием одной катушки индуктивности.

За счет интеграции высокочастотного управления режимом тока с переключателем 2 А, 90 мОм в SOT-23, LT1935 обеспечивает большую мощность в небольшом пространстве. Номинал переключателя 40 В и широкий диапазон входного напряжения (от 2,3 В до 16 В) позволяют использовать самые разные источники входного сигнала, выходное напряжение и топологию схемы, в отличие от многих регуляторов с ограничениями на 5 В.

Повышающий преобразователь постоянного тока

с использованием UC3843 – Технология

Хесам Мошири, Ансон Бао

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток довольно популярны среди энтузиастов электроники и широко используются в промышленности.Существует три основных типа неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный: понижающий, повышающий и понижающий-повышающий. В этой статье / видео я использовал основные компоненты, такие как знаменитый чип UC3843, силовой диод Шоттки и N-канальный Mosfet, чтобы разработать компактный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Входное напряжение может составлять всего 9 В, что делает его пригодным для различных приложений, таких как преобразование 12 В в 18 В для питания портативного компьютера с использованием одной батареи 12 В.

Я использовал библиотеки компонентов Altium Designer 21 и SamacSys для разработки схемы и печатной платы. Печатные платы были изготовлены компанией PCBWay в зеленой паяльной маске. Также я исследовал коэффициент шума схемы с помощью осциллографа Siglent SDS2102X Plus / SDS1104X-E и мультиметра Siglent SDM3045X. Итак, приступим!

Технические характеристики

Входное напряжение: 9-16 В

Выходное напряжение: 28 В макс. (Можно увеличить, см. Текст)

Выходной ток: 4 А макс.

Выходной шум (без нагрузки): 5 мВ среднеквадр.

Выходной шум (2 А нагрузка): 27 мВ (среднеквадр.)

A.Анализ схем

На рисунке 1 показана принципиальная схема повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный. Как видно, сердцем схемы является микросхема UC3843 [1].

Рис. 1

Принципиальная схема повышающего преобразователя постоянного тока UC3843

C1 и C2 использовались для уменьшения входных шумов. L1, D1 и Q1 создают сеть ускоренного преобразования. L1 – это катушка индуктивности от 8 до 10 А, 100 мкГн. D1 – диод Шоттки MBR20100CT [2] (два параллельных диода в одном корпусе).Q1 – это N-канальный МОП-транзистор IRFZ44 [3]. Сопротивление включения (RDS (ON)) Mosfet составляет всего около 28 миллиом, и он может выдерживать до 50 А при 25 ° C. Таким образом, эти характеристики делают эти компоненты подходящими для этого проекта.

IC1 – контроллер схемы повышающего преобразователя. Согласно таблице данных UC3943: «UC3842 / UC3843 / UC3844 / UC3845 представляют собой ШИМ-контроллер с фиксированной частотой в токовом режиме. Они специально разработаны для автономных приложений и преобразователей постоянного тока с минимальным количеством внешних компонентов.Эти интегральные схемы оснащены подстроечным генератором для точного управления рабочим циклом, опорным сигналом с температурной компенсацией, усилителем ошибки с высоким коэффициентом усиления, токоизмерительным компаратором и сильноточным тотемно-полюсным выходом для управления силовым полевым МОП-транзистором ».

C3, C4, C5, C6 и C7 используются для уменьшения выходного шума. Обычно выход повышающего преобразователя более шумный, чем понижающий преобразователь, особенно при использовании дискретных компонентов. Однокристальный понижающий / повышающий контроллер менее шумный, однако выходное напряжение и ток этих контроллеров ограничены.

R1 – это многооборотный потенциометр 10K, который можно настроить для регулировки выходного напряжения. Вы можете увеличить уровень выходного напряжения, уменьшив значение R5. Выходное напряжение определяется по следующей формуле:

Vout = 2,5 (1 + R1 / R5)

Итак, очевидно, что когда R5 равен 1K, то максимальное выходное напряжение находится где-то между 27V и 28V. если мы уменьшим значение R5 до 820R или 680R, то максимальное выходное напряжение будет примерно от 32 до 33 В или от 39 до 40 В. Я не рекомендую увеличивать выходное напряжение больше, чем это, потому что уровень напряжения + шума может выходить за допустимые пределы номинального напряжения конденсаторов (50 В), которые, конечно, на практике могут быть ниже 50 В (из-за производственных допусков). R2 и R3 размещены параллельно, что создает предварительную нагрузку, помогающую стабилизировать выходное напряжение.

B. Компоновка печатной платы

На рисунке 2 показана компоновка печатной платы конструкции. Это двухслойная печатная плата со смесью компонентов для поверхностного монтажа и сквозных отверстий. Вид с верхнего слоя, нижнего слоя, шелкографии и паяльной маски (верхний слой) – все это показано на рисунке 2.

Рисунок 2

Схема печатной платы повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный

Как я уже упоминал Говоря абстрактно, я использовал программное обеспечение Altium Designer [4] для разработки схемы и печатной платы.В этом проекте у меня не было схематического обозначения, посадочного места печатной платы и 3D-модели нескольких компонентов. Поэтому вместо того, чтобы тратить свое время на разработку библиотек компонентов с нуля и повышать риск ошибок и несоответствий, я использовал бесплатные библиотеки компонентов SamacSys с рейтингом IPC и импортировал их прямо в проект Altium PCB с помощью плагина SamacSys Altium [5] . SamacSys предоставляет плагины для большинства программ САПР для электронного проектирования [6], а не только для Altium Designer.На рисунке 3 показано поддерживаемое программное обеспечение САПР для электронного проектирования.

Рисунок 3

SamacSys Поддерживаемое программное обеспечение САПР для электронного проектирования (плагины)

В частности, я использовал библиотеки SamacSys для IC1 [7], Q1 [8] и D1 [9], которые вы можете рассмотреть в справочных материалах. Другой вариант – загрузить библиотеки компонентов с сайта componentsearchengine.com и импортировать их вручную. Тебе решать. На рисунке 4 показаны выбранные компоненты в плагине SamacSys Altium.

Рис. 4

Выбранные компоненты в плагине SamacSys Altium

C. Сборка и тестирование

На рисунке 5 показана собранная печатная плата сверху и снизу. Это прототип схемы. В последней ревизии я добавил два параллельных резистора в качестве предварительной нагрузки. Некоторые компоненты являются сквозными, а некоторые – SMD. С пайкой компонентов у вас не должно возникнуть проблем, однако вы можете заказать плату в собранном виде.

Рисунок 5

Печатная плата в сборе (вид сверху и снизу)

Обычно в регуляторах напряжения (источниках питания) важны два параметра: линейное регулирование и регулирование нагрузки.Линейное регулирование – это способность источника питания поддерживать заданное выходное напряжение при изменении входного линейного напряжения. Он выражается в процентах изменения выходного напряжения относительно изменения входного линейного напряжения. Регулировка нагрузки – это способность источника питания поддерживать заданное выходное напряжение при изменении нагрузки. Это не означает, что допуск применяется при резких изменениях нагрузки, это означает, что в пределах допустимого диапазона нагрузки регулирование может измениться на эту величину.Пожалуйста, посмотрите видео на YouTube, где я это тестирую. Лучшим инструментом для подготовки этих измерений является нагрузка постоянного тока. На момент написания этой статьи я еще не получил свою нагрузку постоянного тока, которой является Siglent SDL1020X-E [10]. В ближайшее время я проанализирую этот преобразователь, использующий нагрузку постоянного тока, однако пока, по крайней мере, мы можем частично протестировать его и изучить выходные шумы.

На рисунке 6 показан выходной шум повышающего преобразователя без нагрузки. Я использовал функцию анализа мощности осциллографа Siglent SDS2102X Plus [11].Конечно, вы можете использовать и более дешевый осциллограф Siglent SDS1104X-E [12], однако плюс – это нечто большее. Это устройство для подражания. На осциллограмме можно увидеть несколько длинных всплесков индуктивности, которые вряд ли исходят от выходной линии. Поэтому я оставил среднеквадратичное значение в качестве индикатора.

Рисунок 6

Выходной шум преобразователя постоянного тока в постоянный с использованием осциллографа Siglent SDS2102X Plus

На рисунке 7 показан выходной шум преобразователя постоянного тока в постоянный при нагрузке 2А. Как и выше, я не думаю, что эти всплески длинных позиций на самом деле происходят из-за предложения. Когда я отхожу от зонда, эти шипы значительно исчезают. Я рекомендую вам использовать конденсаторы как можно ближе к вашей нагрузке.

Рисунок 7

Выходной шум преобразователя постоянного тока в постоянный (нагрузка 2 А)

D. Спецификация материалов

На рисунке 8 показана спецификация материалов схемы. L1 – это индуктор от 47 мкГн до 100 мкГн, который вы можете построить или купить.Я построил его сам, поэтому я не могу предложить для этого какой-либо конкретный номер детали. Однако убедитесь, что ваша катушка индуктивности может выдерживать токи от 8 до 10 А. Вы можете использовать медный провод диаметром 1 мм и тороидальный ферритовый сердечник. Используемый размер сверла для отпечатка индуктора составляет 1,3 мм.

Рисунок 8

Спецификация материалов (кроме L1)

Вы можете загрузить Gerbers или заказать 10 высококачественных печатных плат всего за 5,0 долларов США

Если вы хотите заказать полностью собранную печатную плату (плюс БЕСПЛАТНАЯ доставка) для этого проекта загрузите файл bom или обратитесь по адресу: anson @ pcbway. com

E. Ссылки

[1]: UC3843 Лист данных: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc3843.pdf?HQS=ti-null-null-sf-df- pf-sep-wwe & ts = 1626017670986 & ref_url = https% 253A% 252F% 252Fcomponentsearchengine.com% 252F

[2]: Таблица данных MBR20100CT: https://www.diodes.com/assets/Datasheets/MBR20100C.pdf] : Таблица данных IRFZ44: https://componentsearchengine.com/Datasheets/2/IRFZ44EPBF.pdf

[4]: ​​Altium Designer: https://www.altium.com/altium-designer

[5]: плагин SamacSys для Altium : https: // www.samacsys.com/altium-designer-library-instructions

[6]: Поддерживаемые плагины SamacSys: https://www.samacsys.com/pcb-part-libraries

[7]: схематический символ UC3843, посадочное место печатной платы, 3D модель: https://componentsearchengine.com/part-view/UC3843D8TR/Texas%20Instruments

[8]: схематический символ IRFZ44, посадочное место печатной платы, 3D-модель: https://componentsearchengine.com/part-view/IRFZ44EPBF/Infineon

[9]: схематический символ MBR20100, посадочное место печатной платы, 3D-модель: https: // componentsearchengine. com / part-view / MBR20100CT-E1 / Diodes% 20Inc

[10]: Siglent SDL1020X-E DC нагрузка: https://siglentna.com/dc-electronic-load/sdl1000x/

[11]: Siglent SDS2102X Осциллограф Plus: https://siglentna.com/digital-oscilloscopes/sds2000xp/

[12]: Осциллограф Siglent SDS1104X-E: https://siglentna.com/digital-oscilloscopes/sds1000x-e-series-super-phosphor -oscilloscopes /

Как работают повышающие преобразователи – Проекты самодельных схем

Повышающий преобразователь (также называемый повышающим преобразователем) представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный, которая предназначена для преобразования входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение с уровнем, который может быть намного выше, чем уровень входного напряжения.

Однако процесс всегда сохраняет соотношение P = I x V, что означает, что по мере того, как на выходе преобразователя увеличивается входное напряжение, на выходе пропорционально уменьшается ток, что приводит к тому, что выходная мощность почти всегда равна входная мощность или меньше входной мощности.

Как работает повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь – это разновидность импульсного источника питания или импульсного источника питания, который в основном работает с двумя активными полупроводниками (транзистором и диодом) и с минимум одним пассивным компонентом в виде конденсатора или индуктор или оба для большей эффективности.

Катушка индуктивности здесь в основном используется для повышения напряжения, а конденсатор вводится для фильтрации флуктуаций переключения и уменьшения пульсаций тока на выходе преобразователя.

Входной источник питания, который может потребоваться усиление или повышение, может быть получен от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, двигатели, генераторы и т. Д.
Принцип работы

Индуктор в повышающем преобразователе играет важную роль. увеличения входного напряжения.

Ключевой аспект, который становится ответственным за активацию повышающего напряжения от индуктора, связан с его присущим ему свойством сопротивляться или противодействовать внезапно индуцированному току через него, а также из-за его реакции на это с созданием магнитного поля и последующим разрушением магнитное поле. Разрушение приводит к высвобождению накопленной энергии.

Этот процесс, описанный выше, приводит к сохранению тока в катушке индуктивности и отбрасыванию этого сохраненного тока на выходе в виде обратной ЭДС.

Схема драйвера релейного транзистора может считаться отличным примером схемы повышающего преобразователя. Обратный диод, подключенный к реле, вводится для короткого замыкания обратной обратной ЭДС от катушки реле и для защиты транзистора всякий раз, когда он выключается.

Если этот диод удалить и диодный конденсаторный выпрямитель подключен к коллектору / эмиттеру транзистора, повышенное напряжение с катушки реле может быть собрано на этом конденсаторе.

Процесс в конструкции повышающего преобразователя приводит к выходному напряжению, которое всегда выше входного.

Конфигурация повышающего преобразователя

Обращаясь к следующему рисунку, мы можем видеть стандартную конфигурацию повышающего преобразователя, рабочий образец можно понять, как указано ниже:

Когда показанное устройство (которое может быть любым стандартным силовым BJT или МОП-транзистором) При включении ток от входного источника питания поступает в катушку индуктивности и течет по часовой стрелке через транзистор, завершая цикл на отрицательном конце входного источника питания.

Во время вышеупомянутого процесса индуктор испытывает внезапное введение тока через себя и пытается сопротивляться притоку, что приводит к накоплению некоторого количества тока в нем за счет генерации магнитного поля.

В следующей последовательности, когда транзистор выключен, проводимость тока прерывается, снова вызывая внезапное изменение уровня тока на катушке индуктивности. Катушка индуктивности реагирует на это, отбрасывая или высвобождая накопленный ток. Поскольку транзистор находится в положении ВЫКЛ, эта энергия проходит через диод D и через показанные выходные клеммы в виде напряжения обратной ЭДС.

Катушка индуктивности выполняет это, разрушая магнитное поле, которое было создано в ней ранее, когда транзистор находился во включенном состоянии.

Однако вышеупомянутый процесс высвобождения энергии реализуется с противоположной полярностью, так что входное напряжение питания теперь становится последовательным с напряжением обратной ЭДС индуктора. И, как мы все знаем, когда источники питания соединяются последовательно, их сетевое напряжение складывается, чтобы получить больший общий результат.

То же самое происходит в повышающем преобразователе во время режима разряда индуктора, создавая выходной сигнал, который может быть объединенным результатом напряжения обратной ЭДС индуктора и существующего напряжения питания, как показано на диаграмме выше.

Это объединенное напряжение приводит к повышенному напряжению. выход или повышенный выход, который проходит через диод D и конденсатор C, чтобы в конечном итоге достичь подключенной нагрузки.

Конденсатор C играет здесь довольно важную роль, во время режима разряда катушки индуктивности конденсатор C накапливает в нем высвобожденную объединенную энергию, а во время следующей фазы, когда транзистор снова выключается, а катушка индуктивности находится в режиме накопления, конденсатор C пытается поддерживать равновесие, поставляя нагрузке свою накопленную энергию. См. Рисунок ниже.

Это обеспечивает относительно стабильное напряжение для подключенной нагрузки, которая может получать питание как в периоды включения, так и в периоды выключения транзистора.

Если C не включен, эта функция отменяется, что приводит к снижению мощности нагрузки и снижению эффективности.

Вышеописанный процесс продолжается, когда транзистор включается / выключается с заданной частотой, поддерживая эффект повышающего преобразования.

Режимы работы

Повышающий преобразователь может работать в основном в двух режимах: непрерывном режиме и прерывистом режиме.

В непрерывном режиме ток катушки индуктивности никогда не может достигать нуля во время процесса разрядки (пока транзистор выключен).

Это происходит, когда время включения / выключения транзистора рассчитано таким образом, что индуктор всегда быстро подключается обратно к входному источнику питания через включенный транзистор, прежде чем он сможет полностью разрядиться через нагрузку и конденсатор. C.

Это позволяет катушке индуктивности постоянно генерировать повышающее напряжение с эффективной скоростью.

В прерывистом режиме время включения транзистора может быть настолько большим, что катушка индуктивности может полностью разряжаться и оставаться в неактивном состоянии между периодами включения транзистора, создавая огромные пульсации напряжения на нагрузке и конденсаторе. С.

Это может сделать вывод менее эффективным и с большим количеством колебаний.

Лучшим подходом является вычисление времени включения / выключения транзистора, которое дает максимально стабильное напряжение на выходе, то есть нам нужно убедиться, что катушка индуктивности оптимально переключается, чтобы она не включалась слишком быстро, что может не позволить этого для оптимальной разрядки и не включать его слишком поздно, что может привести к неэффективной разрядке.

Расчет индуктивности, тока, напряжения и рабочего цикла в повышающем преобразователе

Здесь мы обсудим только непрерывный режим, который является предпочтительным способом работы повышающего преобразователя, давайте оценим вычисления, связанные с повышающим преобразователем в непрерывном режиме. режим:

Пока транзистор находится в фазе включения, входное напряжение источника (

) прикладывается к катушке индуктивности, вызывая нарастание тока () через катушку индуктивности в течение периода времени, обозначенного (t). Это может быть выражено следующей формулой:

ΔIL / Δt = Vt / L

К тому времени, когда транзистор переходит в состояние ВКЛ, и транзистор собирается выключиться, предполагаемый ток накопление в индукторе может быть задано следующей формулой:

ΔIL (on) = 1 / L 0ʃDT
или
Vidt = DT (Vi) / L

Где D – рабочий цикл. Чтобы понять его определение, вы можете обратиться к нашему предыдущему посту, связанному с понижающим преобразователем.

L обозначает значение индуктивности катушки индуктивности по Генри.

Теперь, когда транзистор находится в выключенном состоянии, и если мы предположим, что диод обеспечивает минимальное падение напряжения на нем, а конденсатор C достаточно большой, чтобы обеспечивать почти постоянное выходное напряжение, тогда выходной ток (

) можно вывести с помощью следующего выражения

Vi – Vo = LdI / dt

Кроме того, изменения тока (

), которые могут происходить в катушке индуктивности во время ее разряда (состояние транзистора), могут быть представлены как :

ΔIL (выкл. ) = 1 / L x DTʃT (Vi – Vo) dt / L = (Vi – Vo) (1 – D) T / L

Предполагая, что преобразователь может работать в относительно устойчивых условиях , величина тока или энергии, накопленной внутри катушки индуктивности в течение цикла коммутации (переключения), может считаться постоянной или с одинаковой скоростью, это может быть выражено как:

E = ½ L x 2IL

выше также означает, что, поскольку ток на всем протяжении период коммутации или в начале состояния ВКЛ и в конце состояния ВЫКЛ должен быть идентичным, их результирующее значение изменения текущего уровня должно быть нулем, как указано ниже:

ΔIL (вкл) + ΔIL (выкл.) = 0

Если мы подставим значения ΔIL (вкл.) И ΔIL (выкл.) В приведенную выше формулу из предыдущих вычислений, мы получим:

ΔIL (вкл.) – ΔIL (выкл.) = Vidt / L + (Vi – Vo) (1 – D) T / L = 0

Дальнейшее упрощение дает следующий результат: Vo / Vi = 1 / (1 – D)

или

Vo = Vi / (1 – D)

Приведенное выше выражение четко указывает на то, что выходное напряжение в повышающем преобразователе всегда будет выше, чем входное напряжение питания (во всем диапазоне рабочего цикла, от 0 до 1)

Перестановка членов По сторонам приведенного выше уравнения мы получаем уравнение для определения рабочего цикла в рабочем цикле повышающего преобразователя.

D = 1 – Vo / Vi

Приведенные выше оценки дают нам различные формулы для определения различных параметров, участвующих в операциях повышающего преобразователя, которые можно эффективно использовать для расчета и оптимизации точной конструкции повышающего преобразователя.

Расчет ступени мощности повышающего преобразователя

Для расчета ступени мощности повышающего преобразователя необходимы следующие 4 правила:

1. Диапазон входного напряжения: Vin (мин.) И Vin (макс.)

2.Минимальное выходное напряжение: Vout

3. Максимальный выходной ток: Iout (макс.)

4. Схема IC, используемая для создания повышающего преобразователя.
Это часто является обязательным, просто потому, что для расчетов должны быть сделаны определенные схемы, которые могут не быть упомянуты в листе данных.

Если эти ограничения известны, обычно имеет место приближение к силовому каскаду
.

Оценка максимального тока переключения

Первичным шагом для определения тока переключения должно быть определение рабочего цикла D для минимального входного напряжения. Используется минимальное входное напряжение, главным образом потому, что это приводит к максимальному току переключения.

D = 1 – {Vin (min) xn} / Vout ———- (1)

Vin (min) = минимальное входное напряжение

Vout = требуемое выходное напряжение

n = КПД преобразователя, например ожидаемое значение может составлять 80%.

Эффективность включается в расчет рабочего цикла просто потому, что преобразователь должен также отображать рассеиваемую мощность. Эта оценка предлагает более разумный рабочий цикл по сравнению с формулой без коэффициента эффективности.

Нам необходимо, возможно, допустить предполагаемый допуск 80% (который может быть непрактичным для наихудшего кпд повышающего преобразователя
), следует рассмотреть или, возможно, обратиться к разделу «Обычные характеристики» в техническом описании выбранного преобразователя.

Расчет Ток пульсации

Последующее действие для расчета максимального тока переключения будет заключаться в вычислении тока пульсаций индуктора.

В техническом описании преобразователя обычно упоминается конкретная катушка индуктивности или множество катушек индуктивности, которые работают с ИС.Следовательно, мы должны либо использовать предложенное значение индуктивности для расчета тока пульсаций, если ничего не представлено в таблице данных, либо рассчитанное в списке индукторов.

S выбор данного руководства по применению для расчета ступени мощности повышающего преобразователя.

Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ———- (2)

Vin (min) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, измеренный в уравнении 1

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

L = предпочтительное значение индуктивности

Затем необходимо определить, сможет ли предпочтительная ИС обеспечить оптимальный выход
Текущий.

Iout (макс.) = [I lim (min) – Delta I (l) / 2] x (1 – D) ———- (3)

I lim ( min) = минимальное значение ограничения тока
задействованного переключателя (выделено в таблице данных
)

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора, измеренный в предыдущем уравнении

D = рабочий цикл, рассчитанный в первом уравнении

In В случае, если расчетное значение оптимального выходного тока выбранной IC, Iout (max), ниже ожидаемого максимального выходного тока системы, действительно необходимо использовать альтернативную IC с немного более высоким управлением током переключения.

При условии, что измеренное значение Iout (max), вероятно, на оттенок меньше ожидаемого, вы, возможно, можете применить набранную ИС с индуктором с большей индуктивностью, когда он все еще находится в предписанной серии. Большая индуктивность уменьшает ток пульсаций, следовательно, увеличивает максимальный выходной ток с конкретной ИС.

Если установленное значение выше наилучшего выходного тока программы, вычисляется наибольший ток переключения в оборудовании:

Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / ( 1 – D) ——— (4)

Delta I (L) = ток пульсаций индуктора, измеренный во втором уравнении

Iout (max), = оптимальный выходной ток, необходимый для электросети

D = рабочий цикл, измеренный ранее.

Фактически, это оптимальный ток, которому должны противостоять индуктор, включенный (ые) переключатель (ы) в дополнение к внешнему диоду.

Выбор индуктора

Иногда в технических паспортах приводятся многочисленные рекомендуемые значения индуктивности. В такой ситуации вам следует предпочесть катушку индуктивности с этим диапазоном. Чем больше значение индуктивности, тем выше максимальный выходной ток, в основном из-за уменьшения тока пульсаций.

Уменьшенное значение индуктора, уменьшенное – размер решения. Имейте в виду, что катушка индуктивности действительно должна всегда иметь более высокий номинальный ток в отличие от максимального тока, указанного в уравнении 4, из-за того, что ток увеличивается с уменьшением индуктивности.

Для элементов, у которых не указан диапазон индуктивности l, на следующем рисунке показан надежный расчет подходящего индуктора;

L = Vin x (Vout – Vin) / Delta I (L) xf (s) x Vout ——— (5)

Vin = стандартное входное напряжение

Vout = предпочтительный выход напряжение

f (s) = минимальная частота переключения преобразователя

Delta I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора, см. ниже:

Ток пульсаций индуктора просто не может быть измерен с помощью первого уравнения, просто потому, что индуктор ls не опознано. Звуковое приближение для тока пульсаций индуктора составляет от 20% до 40% выходного тока.

Delta I (L) = (0,2 – 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ———- (6)

Delta I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора

Iout (макс.) = Оптимальный выходной ток
ток, необходимый для приложения

Определение выпрямительного диода

Чтобы снизить потери, диоды Шоттки действительно должны считаться хорошим выбором.
Расчетный прямой ток, который считается необходимым, соответствует максимальному выходному току:

I (f) = Iout (max) ———- (7)

I (f) = типичный
прямой ток выпрямительного диода

Iout (max) = оптимальный выходной ток, важный в программе.

Диоды Шоттки

имеют значительно больший пиковый ток по сравнению с нормальным номиналом.Поэтому повышенный пиковый ток в программе не вызывает большого беспокойства.

Второй параметр, который необходимо контролировать, – это рассеиваемая мощность диода. Он состоит из:

P ​​(d) = I (f) x V (f) ———- (8)

I (f) = средний прямой ток выпрямителя диод

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Настройка выходного напряжения

Большинство преобразователей распределяют выходное напряжение с помощью резистивного делителя напряжения (который может быть встроен
, если они являются стационарными преобразователями выходного напряжения) .

При назначенном напряжении обратной связи V (fb) и токе смещения обратной связи I (fb) делитель напряжения имеет тенденцию быть вычисленным
.

Ток с помощью резистивного делителя мог бы быть примерно в сто раз больше, чем ток смещения обратной связи:

I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) —— —- (9)

I (r1 / 2) = ток в цепи резистивного делителя на GND

I (fb) = ток смещения обратной связи из техпаспорта

Это увеличивает погрешность менее 1% для оценка напряжения.Кроме того, сила тока значительно больше.

Основная проблема с меньшими номиналами резисторов – это повышенные потери мощности в резистивном делителе, за исключением того, что актуальность может быть несколько повышена.

Исходя из вышеуказанного убеждения, резисторы разработаны следующим образом:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ———- (10)

R1 = R2 x [Vout / V (fb) – 1] ———- (11)

R1, R2 = резистивный делитель.

В (fb) = напряжение обратной связи из таблицы данных

I (r1 / 2) = ток, обусловленный резистивным делителем на GND, установленный в уравнении 9

Vout = планируемое выходное напряжение

Выбор входного конденсатора

Наименьшее значение для входного конденсатора обычно указывается в техническом паспорте.Это наименьшее значение имеет жизненно важное значение для стабильного входного напряжения, поскольку импульсный источник питания является предпосылкой пикового тока.

Наиболее подходящим методом является использование керамических конденсаторов с пониженным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Диэлектрический элемент должен быть X5R или выше. В противном случае конденсатор может потерять большую часть своей емкости из-за смещения постоянного тока или температуры (см. Ссылки 7 и 8).

Фактически значение может быть увеличено, если входное напряжение слишком шумное.

Выбор выходного конденсатора

Лучший метод – найти конденсаторы с малым ESR, чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения. Керамические конденсаторы являются правильными типами, когда диэлектрический элемент относится к типу X5R или более эффективному.

В случае, если преобразователь имеет внешнюю компенсацию, можно использовать любой конденсатор емкостью выше минимально рекомендованного в таблице данных, но каким-то образом компенсация должна быть можно изменить для выбранной выходной емкости.

Для преобразователей с внутренней компенсацией, рекомендуемые значения индуктивности и конденсатора должны быть адаптированы, или информация в техническом описании для адаптации выходных конденсаторов может быть принята с соотношением L x C.

При вторичной компенсации следующие уравнения могут помочь в регулировании значений выходных конденсаторов для запланированных пульсаций выходного напряжения:

Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout – ——– (12)

Cout (min) = наименьшая выходная емкость

Iout (max) = оптимальный выходной ток для использования

D = рабочий цикл, рассчитанный по уравнению 1

f ( s) = наименьшая частота коммутации преобразователя

Delta Vout = идеальная пульсация выходного напряжения

ESR выходного конденсатора увеличивает пульсацию, предварительно заданную уравнением:

Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (макс.) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ———- (13)

Delta Vout (ESR) = пульсации альтернативного выходного напряжения, возникающие из-за конденсаторов ESR

ESR = эквивалентное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (max) = максимальный выходной ток использования

D = рабочий цикл, вычисленный в первом уравнении

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора из уравнения 2 или 6

Уравнения для оценки ступени мощности повышающего преобразователя

Максимальный рабочий цикл: D = 1 – Vin (мин) xn / Vout ———- (14)

Vin (мин) = наименьшее входное напряжение

Vout = ожидаемое выходное напряжение

n = КПД преобразователя, например. грамм. расчетное значение 85%

Ток пульсации индуктора:

Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ———- (15)

Vin (min ) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, установленный в уравнении 14

f (s) = номинальная частота переключения преобразователя

L = указанное значение индуктивности

Максимальный выходной ток номинального IC:

Iout ( max) = [Ilim (min) – Delta I (l)] x (1 – D) ———- (16)

Ilim (min) = наименьшее значение текущего ограничения интеграла ведьма (предлагается в техническом паспорте)

Delta I (l) = ток пульсации индуктора, установленный в уравнении 15

D = рабочий цикл, оцененный в уравнении 14

Максимальный ток переключения для конкретного приложения:

Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 – D) ———- (17)

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора, оцененный по уравнению 15

Iout (max ), = максимально возможный выходной ток требуется в энергосистеме

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

Приближение индуктивности: L = Vin x (Vout – Vin) / Delta I (l) xf (s) x Vout —- —— (18)

Vin = общее входное напряжение

Vout = планируемое выходное напряжение

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора, см. Уравнение 19

Оценка тока пульсации индуктора:

Дельта I (l) = (0.От 2 до 0,4) x Iout (макс.) X Vout / Vin ———- (19)

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсации индуктора

Iout (макс.) = Максимальный выходной ток, важный для

Типичный прямой ток выпрямительного диода:

I (f) = Iout (max) ———- (20)

Iout (max) = оптимальный выходной ток, соответствующий утилита

Рассеиваемая мощность в выпрямительном диоде:

P ​​(d) = I (f)
x V (f) ———- (21)

I (f) = типичный прямой ток выпрямительного диода

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Ток при использовании резистивного делителя цепи для позиционирования выходного напряжения:

I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) – ——— (22)

I (fb) = ток смещения обратной связи из таблицы данных

Значение резистора между выводом FB и GND:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ———- (23)

Значение резистора между выводом FB и Vo ut:

R1 = R2 x [Vout / V (fb) – 1] ———- (24)

V (fb) = напряжение обратной связи из техпаспорта

I ( r1 / 2) = ток
из-за резистивного делителя на GND, вычисленный в уравнении 22

Vout = искомое выходное напряжение

Наименьшая выходная емкость, в противном случае предварительно назначенная в техническом паспорте:

Cout (мин) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ———- (25)

Iout (max) = максимально возможный выходной ток программы

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta Vout = ожидаемая пульсация выходного напряжения

Повышенная пульсация выходного напряжения из-за ESR:

Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (макс. ) / (1 – D) + Delta I (l) / 2 ———- (26)

ESR = параллельное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (макс. ) = оптимальный выходной ток использование

D = рабочий цикл, определенный в уравнении 14

Delta I (l) = ток пульсации индуктора из уравнения 15 или 19

Frontiers | Анализ и реализация высокопроизводительного повышающего преобразователя постоянного тока для многоуровневой структуры повышающего напряжения

Введение

Обычный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный имеет несколько проблем, таких как потеря мощности, падение напряжения на различных устройствах и эффекты из-за сопротивления катушки индуктивности, когда он пытается достичь требуемого усиления напряжения.На качество работы и эффективность преобразования влияет высокий рабочий цикл полупроводникового переключателя (Premkumar et al., 2018a; Premkumar and Sumithira, 2019a). Эти проблемы решаются путем внедрения новых преобразователей, таких как преобразователи Zeta, SEPIC и Cuk (Banaei and Bonab, 2016). О различных преобразователях сообщается в Amir et al. (2019), и эти преобразователи различаются на основе методов переключения (переключение между конденсатором и катушкой индуктивности) и методов повышения, таких как умножитель напряжения (VM), удвоитель напряжения, каскадные соединения и т. Д. (Chen et al., 2018; Поп-Калиману и др., 2019). У каждого из преобразователей есть свои недостатки, и эти недостатки побуждают исследователей работать над новыми преобразователями для многоуровневой структуры повышения. Например, многоуровневые преобразователи с обычным повышением, Cuk и SEPIC имеют пульсации выходного напряжения (Babaei et al., 2013; Selwan et al., 2015; Premkumar et al., 2018b).

Обычные повышающие и понижающие преобразователи часто предпочитаются в солнечных фотоэлектрических системах и топливных энергетических системах (Divakar et al., 2008; Kaouane et al., 2015; Премкумар и др., 2018b; Росас-Каро и др., 2018а, б; Премкумар и Сумитира, 2019b). Авторы Kaouane et al. (2015) и Premkumar and Sumithira (2019b) сообщили о преобразователях с двумя переключателями MOSFET и гибридным усилением, соответственно, для солнечных фотоэлектрических (PV) систем для улучшения коэффициента усиления выходного напряжения наряду с правильной техникой отслеживания. Квадратичный повышающий преобразователь был описан Rosas-Caro et al. (2018b) с преобразованием выходного напряжения и постоянного входного тока с положительной полярностью.

Авторы Divakar et al. (2008) сообщили о методах мягкого переключения, таких как переключение при нулевом напряжении и переключении при нулевом токе, для уменьшения коммутационных потерь в традиционном повышающем преобразователе. Авторы Hegazy et al. (2012) и Росас-Каро и др. (2018a) сообщили о преобразователях с чередующейся структурой для достижения необходимого выходного напряжения при постоянном входном токе. Однако чередующаяся структура сложна по сравнению с обычным повышающим преобразователем.Кроме того, автор в Zeng et al. (2019) сообщили, что чередующаяся структура также помогает повысить эффективность преобразования и уменьшить пульсации выходного напряжения. Когда для многоуровневых повышающих преобразователей выбираются обычные повышающие или понижательно-повышающие преобразователи на основе чередования, это приводит к сильному всплеску тока катушки индуктивности и выходного напряжения. То же самое можно наблюдать из экспериментальных форм сигналов из литературы, представленной в Rosas-Caro et al. (2018a) и Hegazy et al. (2012).

Преобразователь SEPIC является одним из традиционных преобразователей постоянного тока, созданных на основе традиционного повышающего преобразователя.По сравнению с обычным повышающим преобразователем и преобразователем Cuk, преобразователь SEPIC имеет несколько пульсаций выходного тока, поскольку вторая катушка индуктивности в преобразователе SEPIC сглаживает всплески тока. Конвертер SEPIC может быть предпочтительным в различных приложениях, таких как фотоэлектрические системы, системы на основе топливных элементов, а также многопортовые преобразователи (Saravanan and Babu, 2015; Buticchi et al., 2019). В результате преобразователь SEPIC может использоваться в большинстве систем возобновляемой энергии. Хотя усиление напряжения преобразователя SEPIC меньше, его можно использовать для повышающих приложений (Kircioglu et al., 2016; Шамшуддин и др. , 2017; Премкумар и др., 2018c; Натараджан и др., 2019; Юсри и др., 2019). Коэффициент усиления по напряжению преобразователя SEPIC меньше, чем у обычного повышающего преобразователя на скважность. Коэффициент усиления по напряжению преобразователя SEPIC и повышающего преобразователя равен D / (1-D) и 1 / (1-D), соответственно (Park et al., 2010; Ansari and Moghani, 2019). Если структура преобразователя SEPIC немного изменить, он может повысить напряжение по сравнению с обычным повышающим преобразователем. Поэтому в этой статье обсуждается и исследуется модифицированная структура преобразователя SEPIC с высококачественным выходом.

В этой статье предлагается новая структура конвертера SEPIC, который основан на традиционном конвертере SEPIC. Основным преимуществом предлагаемого преобразователя SEPIC является отсутствие дополнительных паразитных элементов по сравнению с традиционным преобразователем SEPIC. Новая структура получена таким образом, чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения и повысить эффективность преобразования. Кроме того, коэффициент усиления по напряжению такой же, как у традиционного повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный, и выше, чем у обычного преобразователя SEPIC, с меньшим влиянием сопротивления катушки индуктивности.Другой примечательной особенностью предлагаемого преобразователя является отсутствие всплесков напряжения и тока. КПД преобразователя составляет> 95%, когда скважность переключателя составляет <60%,> 92%, когда скважность переключателя составляет от 60 до 80%, и это преимущество делает преобразователь достойным выбором для многоцелевого оборудования. -уровневая структура наддува с питанием от фотоэлектрических модулей и топливных элементов. Преобразователь также может быть расширен для достижения высокого коэффициента усиления напряжения за счет использования таких элементов, как катушки индуктивности, диоды и конденсаторы.Структура статьи следующая. В разделе «Работа предлагаемого преобразователя SEPIC для многоуровневой структуры» представлена ​​работа предлагаемого преобразователя. Анализ установившегося состояния в режиме непрерывной проводимости (CCM) выполняется в разделе «Анализ установившегося состояния и сравнение преобразователя». Результаты экспериментов и дальнейшее обсуждение приведены в разделе «Результаты и дальнейшее обсуждение». Статья завершается в разделе Заключение.

Работа предлагаемого конвертера SEPIC для многоуровневой структуры

Конвертер, предложенный в этой статье, имеет высококачественный выходной сигнал и высокий коэффициент усиления за счет небольшой модификации обычного преобразователя SEPIC, как показано на рисунке 1.В предлагаемом преобразователе изменяется положение зарядного конденсатора и соответственно изменяется уравнение усиления. Предлагаемый преобразователь состоит из одного переключателя MOSFET, двух конденсаторов, таких как разделительный конденсатор (C _s ) и выходного конденсатора (C _из ), двух катушек индуктивности, а именно L ₁ и L ₂ , и одного диода. . Для упрощения анализа работа преобразователя в CCM разделена на два режима работы. Теоретическая форма сигнала изображена на рисунке 2.

Рисунок 1 . Схема предлагаемого преобразователя.

Рисунок 2 . Теоретическая форма сигнала для предлагаемого преобразователя под CCM.

Ниже приведены предположения, сделанные для упрощения проверки преобразователя.

• Различные аппараты преобразователя идеальны. Прямые падения переключателя и диода, сопротивление в открытом состоянии (R _ds-ON ) переключателя MOSFET, эквивалентное последовательное сопротивление катушек индуктивности и конденсатора игнорируются.

• Значения емкости конденсаторов C _s и C _out считаются высокими. Таким образом, предполагается, что напряжение на конденсаторе будет постоянным в течение одного цикла переключения.

Режим-I

Текущий поток изображен на рисунке 3A. Анализ предлагаемого преобразователя сделан на основе предположения об идеальных компонентах, и преобразователь работает на CCM.

Рисунок 3 . Режимы работы; (A) Режим-I; (B) Режим-II.

В этом режиме переключатель MOSFET включается путем подачи сигнала с широтно-импульсной модуляцией (PWM) на вывод затвора переключателя. Когда переключатель включен, ток начинает течь по компонентам, таким как C, L ₁ и L ₂ . На рисунке 3 токи катушки индуктивности представлены как i _L1 и i _L2 , а напряжение на конденсаторе связи представлено как V _c . В режиме I диод выключен из-за обратного напряжения.Есть три контура для подачи питания на компоненты накопителя. Напряжение на катушке индуктивности-1 (V _L1 ) равно входному напряжению источника (V _в ), которое увеличивает ток в L ₁ . Источник напряжения также передает энергию на L ₂ и конденсатор связи (C) через нагрузку. Замечено, что второй и третий контур формируется источником напряжения C и L ₂ . Напряжение на диоде равно напряжению на конденсаторе.Напряжение на катушке индуктивности L ₁ представлено в уравнении (1), а другие выражения записываются следующим образом.

VL1 = Vin = L1diL1dt (1) Vc + Vin = L2diL2dt + Vd + Vout (2) iCout = CoutdVCoutdt = VoutR-iL2 (4)

Режим-II

Текущий поток во время этого режима показан на рисунке 3B. В этом режиме переключатель MOSFET выключен. Из-за этого в работе преобразователя есть два контура. На конденсатор связи подается напряжение через катушки индуктивности L ₁ и L ₂ .Оба индуктора начинают выделять энергию в этом режиме. Катушка индуктивности L ₂ также разряжается, а выходной конденсатор подает ток нагрузки. Напряжение на переключателе MOSFET равно разнице между напряжением на катушке индуктивности L ₁ и напряжением источника. Различные выходные уравнения во время режима-II представлены следующим образом.

Вин = L1diL1dt + Vc + L2diL2dt (5) L2diL2dt = Vin-Vout (6) iCout = CoutdVCoutdt = VoutR-iL2 (8)

Анализ устойчивого состояния и сравнение преобразователя

Статистический анализ предлагаемого преобразователя представлен при работе CCM. Преобразование напряжения предлагаемого преобразователя является наиболее важным параметром, и то же самое может быть получено из двух вышеуказанных режимов работы преобразователя. Энергетический баланс в предлагаемом преобразователе достигается за счет цикла зарядки и разрядки индукторов L ₁ и L ₂ . Среднее напряжение катушек индуктивности за один цикл переключения равно нулю. Среднее напряжение на катушке индуктивности вычисляется из приведенных выше уравнений. Уравнение среднего напряжения представлено в уравнениях (9, 10).

DVin + (1-D) (Vin-VC) = 0 (9) D (Vin + VC + Vout) + (1-D) (Vin-Vout) = 0 (10)

Из Уравнений (9, 10), напряжение на конденсаторе и коэффициент усиления по напряжению преобразователя указаны в Уравнениях (11, 12).

М = ВаутВин = 11-Д (12)

Как видно из уравнения (12), коэффициент усиления по напряжению предлагаемого преобразователя аналогичен коэффициенту усиления традиционного повышающего преобразователя. Поэтому предлагаемый преобразователь можно сравнить с обычными преобразователями SEPIC и Cuk. Преобразователи могут быть проанализированы на основе текущих нагрузок и напряжений на переключателе MOSFET в режимах DCM и CCM, коэффициента усиления по напряжению и минимальных требований к индуктивности.В таблице 1 показаны основные параметры преобразователя и других обычных преобразователей.

Таблица 1 . Оценка предлагаемого модифицированного преобразователя SEPIC с традиционными преобразователями.

Напряжение на переключателе MOSFET и диоде определяется в зависимости от режима работы. Напряжение на диоде представлено в уравнении (13).

Vd = -VC = -11-DVin (13)

В режиме II переключатель MOSFET выключен. Таким образом, напряжение на переключателе MOSFET представлено в уравнении (14).

Vs = Vin-VL1 = VC = 11-DVin (14)

Энергетический баланс достигается между входом и выходом индуктивными элементами. На основе уравнения вольт-секундного баланса ток через катушки индуктивности i _L1 и i _L2 рассчитывается следующим образом, и, кроме того, получается текущая нагрузка на переключатель MOSFET.

Вин (iL1-iL2) = VoutIout (15)

Из уравнения (15) ток через катушки индуктивности получается следующим образом.

iL2 = iout = VoutR (17)

На основании вышеупомянутых уравнений текущая нагрузка на диод и переключатель MOSFET получается следующим образом.

id = iout = VoutR (18)

Ток катушки индуктивности колеблется между минимальным и максимальным значением в зависимости от индуктивности и считается важным элементом конструкции преобразователя. Таким образом, пульсации тока катушки индуктивности и ее соответствующая индуктивность рассчитываются с учетом рабочих ступеней преобразователя. Пик-пик пульсации тока за один период переключения рассчитывается следующим образом.

ΔiL1 = ДЦЛ1Вин (20) ΔiL2 = ДЦЛ2Вин (21)

Значения индуктивностей определяют границу между режимами работы DCM и CCM предлагаемого преобразователя.Предполагая, что минимальный ток индуктора (I _{L, min} ) равен нулю, минимальная индуктивность индукторов рассчитывается следующим образом.

ИЛ, мин = ИЛ-ΔIL2 (22) L1, min = (1-D) 2R2Fs (23) L2, min = D (1-D) R2Fs (24)

Где ΔI _L – это пульсации тока обоих катушек индуктивности, и это определяется как ( DT _s / L ) V _s . Пульсации выходного напряжения от пика до пика предлагаемого преобразователя могут быть получены с помощью дифференциальных уравнений.Поскольку предлагаемый преобразователь имеет два конденсатора, выходное напряжение можно записать следующим образом.

ΔVCout = ΔVout (26) ΔVoutVout = D (1-D) RCoutFs (27)

Результаты и дальнейшее обсуждение

Предлагаемый преобразователь и традиционные преобразователи, такие как преобразователь SEPIC и преобразователи Cuk, моделируются с помощью программного обеспечения MATLAB / Simulink. Для проверки эффективности предложенного модифицированного преобразователя SEPIC изготовлен опытный образец, который испытывается в лаборатории.Элементы хранения, такие как L ₁ , L ₂ , C и C _из , выбираются согласно предыдущим обсуждениям. Катушки индуктивности выбираются на основе уравнений (23, 24) с учетом работы преобразователя CCM. Различные параметры предлагаемого модифицированного преобразователя SEPIC как для моделирования, так и для экспериментального исследования представлены в таблице 2. Параметры моделирования преобразователя SEPIC и преобразователя Cuk также перечислены в таблице 2.

Таблица 2 .Технические характеристики предлагаемого преобразователя SEPIC и других преобразователей.

Исследование моделирования

Согласно значениям, представленным в таблице 2, преобразователи спроектированы и смоделированы с использованием программного обеспечения MATLAB / Simulink. Для проверки работоспособности предлагаемого преобразователя были также смоделированы традиционные преобразователи, такие как преобразователь Cuk и SEPIC. Для упрощенного анализа выходное напряжение преобразователя Cuk принимается как положительное напряжение; однако фактическое выходное напряжение преобразователя Cuk отрицательное. Во-первых, предлагаемый преобразователь моделируется с рабочим циклом (D) 0,6, и результаты показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 . Различные формы сигналов моделирования предлагаемого преобразователя; (A) Ток индуктора, i _L1 , (B) Ток индуктора, i _L2 , (C) Входной ток, I _in , (D) Напряжение напряжения полевого МОП-транзистора, (E) Напряжение тока на полевом МОП-транзисторе, (F) Напряжение напряжения диода, (G) Напряжение на конденсаторе связи.

Как видно на Рисунке 4, предлагаемый преобразователь работает в режиме CCM. Как показано на рисунках 4A, B, токи индуктивности (i _L1 и i _L2 ) колеблются в пределах от -0,55 A до -0,62 A и от 0,83 A до 0,91 A, соответственно. Этот результат доказывает, что предлагаемый преобразователь работает в режиме CCM. Другим значительным преимуществом предлагаемого преобразователя является постоянный (постоянный) входной ток, и то же самое можно увидеть на Рисунке 4C. Входной ток колеблется в пределах 1.38 А и 1,52 А. Таким образом, входной ток пульсаций предлагаемого преобразователя составляет 0,14 А, что меньше, чем у обычного преобразователя SEPIC и преобразователя Cuk. На рисунках 4D, E показаны напряжение и текущая нагрузка полевого МОП-транзистора соответственно. Максимальное напряжение переключателя MOSFET составляет 49,5 В, а текущее напряжение – 1,5 А. На рисунке 4F показано напряжение напряжения диода, которое равно напряжению на конденсаторе связи. На рисунке 4G показано напряжение на конденсаторе, при этом среднее напряжение составляет 49 В.Следовательно, напряжение на диоде равно 49 В, как показано на рисунке 4F. Согласно предыдущему обсуждению, предлагаемый преобразователь и другие традиционные преобразователи, такие как преобразователь SEPIC и преобразователь Cuk, также смоделированы для рабочего цикла 0,6. Форма сигнала выходного напряжения нагрузки всех преобразователей показана на рисунке 5.

Рисунок 5 . Форма кривой выходного напряжения нагрузки всех преобразователей при D = 0,6.

Сопротивление нагрузки всего преобразователя поддерживается постоянным на уровне 85 Ом, а выходное напряжение преобразователя SEPIC и преобразователя Cuk составляет 29.37 В (выходное напряжение преобразователя Cuk предполагается положительным). При этом выходное напряжение нагрузки предлагаемого модифицированного преобразователя SEPIC составляет 49,19 В, что в 0,7 раза выше, чем у обычного преобразователя SEPIC. Также отмечено, что время установления у всех преобразователей практически одинаково. Сделан вывод, что преобразователь, предложенный в этой статье, имеет больший коэффициент усиления по напряжению, чем традиционный преобразователь SEPIC с тем же количеством компонентов. Такой высокий выигрыш по напряжению возможен только путем изменения соединений обычного преобразователя SEPIC, но не путем увеличения / уменьшения элементов памяти или коммутационных устройств.Предлагаемый преобразователь также смоделирован для различных рабочих циклов, таких как 0,4, 0,5, 0,6 и 0,7. Продолжительность переключения преобразователя изменяется каждые 0,5 с. Форма выходного напряжения нагрузки показана на рисунке 6.

Рисунок 6 . Форма волны выходного напряжения нагрузки всех преобразователей при разном рабочем цикле.

Вначале все преобразователи работают с D = 0,4, выходное напряжение SEPIC, Cuk и предлагаемого преобразователя составляло 13,57 В, 13.57 В и 32,51 В соответственно. При t = 0,5 с рабочий цикл изменяется на D = 0,5, а выходное напряжение регистрируется как 19,18 В, 19,18 В и 39,17 В соответственно. При t = 1 с рабочий цикл изменяется на D = 0,6, а выходное напряжение составляет 29,38 В, 29,38 В и 49,16 В соответственно. При t = 1,5 с рабочий цикл изменяется на D = 0,7, а выходное напряжение составляет 46,35 В, 46,35 В и 65,72 В соответственно. Наблюдается и делается вывод, что дежурный до D = 0.5, преобразователь SEPIC и преобразователь Cuk действуют как понижающий преобразователь, а после D = 0,5 традиционные преобразователи действуют как повышающий преобразователь. Принимая во внимание, что предлагаемый преобразователь действует как повышающий преобразователь независимо от рабочего цикла, как и обычный повышающий преобразователь с возможностью постоянного входного тока.

Экспериментальное исследование

Опытный образец преобразователя разработан и проверен в лабораторных условиях по параметрам, приведенным в таблице 2.Экспериментальный прототип показан на рисунке 7. Две катушки индуктивности преобразователя выбраны как связанные катушки индуктивности с ферритовым сердечником EE33. Две витые медные проволоки (21 SWG) намотаны на ферритовый сердечник для обеспечения требуемого значения индуктивности, а витая пара может минимизировать скин-эффект и сопротивление катушки. Конденсатор с металлизированной пленкой из полипропилена выбран для конденсатора связи с низким ESR (≈ 12,2 мОм). Для работы преобразователя требуется переключатель N-канального полевого МОП-транзистора с низким сопротивлением в открытом состоянии, поэтому выбран полевой МОП-транзистор IRFB4310, имеющий 5 Ом. Сопротивление в открытом состоянии 6 мОм, выдерживает до 100 В, 140 А.

Рисунок 7 . Опытный образец предлагаемого преобразователя.

Преобразователю требуется быстродействующий диод для направления тока. Поэтому выбран диод с быстрым восстановлением BY399, который имеет меньшее падение напряжения в прямом направлении (<1,1 В) и меньшее время восстановления в обратном направлении (<500 нс). Импульс ШИМ генерируется с помощью отладочной платы MSP430FR2355 Texas Instrument. ШИМ-импульс 20 кГц с рабочим циклом 60% подается на драйвер MOSFET через оптоизолятор.Переключатель MOSFET приводится в действие оптоизолятором 4N25 и драйвером MOSFET IR2113. Предлагаемый прототип преобразователя рассчитан на 50 Вт. При необходимости номинальные характеристики преобразователя могут быть расширены за счет использования схем ячеек-умножителей. Внедрение схемы умножителя в этой статье не обсуждается. Экспериментальные формы сигналов показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 . Экспериментальные формы сигналов преобразователя для рабочего цикла 60%. (A) Входное напряжение, В _в и входной ток, I _в ; (B) ток индуктора, i _L1 и напряжение затвор-исток, В _gs ; (C) ток индуктора, i _L2 и напряжение затвор-исток, В _gs ; (D) Напряжение тока полевого МОП-транзистора, напряжение и напряжение полевого МОП-транзистора, В _с ; (E) Напряжение напряжения MOSFET, В _с и напряжение диода, В _d ; (F) Ток индуктора, i _L1 и напряжение на конденсаторе, В _c , (G) Входное напряжение, В _i и выходное напряжение, В _{на выходе} .

Постоянный входной ток – одна из ключевых целей этой статьи, и то же самое можно увидеть на рисунке 8A. Входной ток при полной нагрузке составляет 1,424 А (в среднем). Входной ток колеблется от 0,9 до 1,72 А и никогда не достигает нуля. Токи индуктора, такие как i _L1 и i _L2 , показаны на рисунках 8B, C соответственно. Из рисунков 8B, C видно, что преобразователь работает в режиме CCM. Пик-пик пульсации тока индуктивности согласно уравнениям 20, 21 выбран равным 0.43 A. На рисунке 8B пульсирующий ток (Δ i _{L 1} ) наблюдается как 0,45 A (колебания между 0,56 A − 0,11 A), а на рисунке 8C – пульсирующий ток (Δ i _{L 2} ) наблюдается как 0,44 A (колебания между 0,71 A − 1,15 A). Этот результат демонстрирует хорошее согласие между теоретическим анализом и экспериментальной установкой. Напряжение на полевом МОП-транзисторе и напряжение диода можно наблюдать на рисунках 8D, E соответственно.Согласно уравнениям 13, 14 максимальное напряжение напряжения переключателя MOSFET и диода равно ± _из В. Следовательно, напряжение напряжения полевого МОП-транзистора и диода должно быть равным 50 В, когда рабочий цикл переключателя равен 0,6. То же самое можно четко наблюдать в формах сигналов, показанных на рисунках 8D, E. Согласно уравнению 19 текущее напряжение переключателя MOSFET равно 0,88 A. Из рисунка 8D, текущее напряжение составляет 0,84 A. Согласно уравнению 11 напряжение на конденсаторе связи равно выходному напряжению преобразователь, равный 50 В.Напряжение на конденсаторе связи, показанное на рисунке 8F, равно 49 В. На рисунке 8G показаны выходное напряжение и форма волны входного напряжения. Согласно уравнению 12, выходное напряжение преобразователя для рабочего цикла D = 0,6 равно 50 В. Экспериментально преобразователь достигает 49 В, и этот результат демонстрирует хорошее согласие между теоретическим анализом и экспериментальной установкой. Разницей в напряжении (≈ 1 В) можно пренебречь из-за падения напряжения в других компонентах. Предлагаемый преобразователь сравнивается с другими традиционными преобразователями с точки зрения усиления напряжения и эффективности.На рисунке 9 показано сравнение производительности предлагаемого преобразователя.

Рисунок 9 . Оценка работоспособности предлагаемого преобразователя; (A) Коэффициент усиления напряжения для нескольких рабочих циклов, (B) КПД при различной продолжительности включения, (C) КПД при различных условиях нагрузки.

Из приведенных выше обсуждений и сравнения характеристик, представленных на рисунке 9, можно сделать вывод, что предлагаемый преобразователь превосходит все аспекты, такие как постоянный входной ток, высокое усиление по напряжению и высокая эффективность преобразования без добавления каких-либо дополнительных компонентов с обычным преобразователем SEPIC. .Предлагаемый преобразователь лучше всего подходит для многоуровневой структуры повышения в солнечных фотоэлектрических системах или энергетических системах на основе топливных элементов вместо традиционных преобразователей SEPIC. Наконец, сделан вывод, что предлагаемый преобразователь SEPIC может обеспечить эффективность преобразования при полной нагрузке, равную 94,2, и максимальную эффективность преобразования 95,64%.

Заключение

Конвертер, обсуждаемый в этой статье, улучшает коэффициент преобразования напряжения по сравнению с другими традиционными преобразователями постоянного тока в постоянный.Предлагаемый преобразователь SEPIC анализируется в работе CCM, моделируется, реализуется и сравнивается с традиционными преобразователями SEPIC и Cuk. Для предлагаемого преобразователя проведен анализ различных характеристик, таких как ток пульсации индуктора, преобразование напряжения, напряжение переключателя и диода, а также КПД преобразователя. Предлагаемый преобразователь разработан на основе теоретических рассуждений. Результаты, полученные в результате моделирования и экспериментов, находятся на одном уровне с теоретическими обсуждениями.Эффективность преобразования предлагаемого преобразователя составляет более 92% для различных рабочих циклов, а максимальный КПД равен 95,64% при 30 Вт. Такая высокая эффективность преобразования делает предлагаемый преобразователь наиболее подходящим для многоуровневой структуры повышения напряжения. Коэффициент усиления напряжения преобразователя можно дополнительно увеличить, добавив схемы умножителя напряжения, и то же самое будет обсуждаться и развиваться в будущих сообщениях. Существенным вкладом в этот документ является то, что обычный преобразователь SEPIC расширен без добавления какого-либо дополнительного оборудования, и он ведет себя как традиционный повышающий преобразователь со следующими дополнительными функциями.(i) высокий коэффициент усиления по напряжению, (ii) высокая эффективность преобразования, (iii) постоянный входной ток и (iv) меньшая пульсация выходного напряжения.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок любому квалифицированному исследователю.

Авторские взносы

Исследовательское моделирование, эксперименты, анализ, проверка и формирование общей схемы были выполнены MP. Обзор литературы, математический анализ, моделирование и корректура были выполнены RS.Редизайн аппаратных компонентов, экспериментальное тестирование, отредактированная статья и окончательная корректура CK.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Амир, А., Амир, А., Че, Х. С., Эльхатеб, А., и Абд Рахим, Н. (2019). Сравнительный анализ топологий DC-DC преобразователя с высоким коэффициентом усиления для фотоэлектрических систем. Обновить. Энергия 136, 1147–1163. DOI: 10.1016 / j.renene.2018.09.089

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ансари, С. А., Могани, Дж. С. (2019). Новый преобразователь SEPIC с несвязанной катушкой индуктивности с высоким коэффициентом усиления. IEEE Trans. Industr. Электр . 66, 7099–7108. DOI: 10.1109 / TIE.2018.2878127

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бабаи Э., Кангарлу М. Ф., Сабахи М. и Ализаде-Пахлавани М. Р. (2013). Каскадный многоуровневый инвертор с использованием под-многоуровневых ячеек. Электр. Power Syst. Res . 96, 101–110. DOI: 10.1016 / j.epsr.2012.10.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Банаи, М. Р., и Бонаб, Х. А. Ф. (2016). Новаторская конструкция для неизолированного бестрансформаторного понижающе-повышающего преобразователя постоянного тока с одним переключателем. IEEE Trans. Industr. Электр . 64, 198–205. DOI: 10.1109 / TIE.2016.2608321

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бутикки, Г., Коста, Л. Ф., и Лизер, М. (2019). Многопортовый преобразователь постоянного тока в постоянный для системы распределения электроэнергии более электрического самолета. Math. Комп. Simul . 158, 387–402. DOI: 10.1016 / j.matcom.2018.09.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, S.J., Yang, S.P., Huang, C.M., Chou, H.M., и Shen, M.J. (2018). Преобразователь постоянного тока с чередованием и высоким повышением на основе ячейки умножителя напряжения и методов суммирования напряжения для приложений возобновляемой энергетики. Энергии 11: 1632. DOI: 10.3390 / en11071632

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дивакар, Б.П., Ченг, К. В. Э. и Сутанто, Д. (2008). Повышающий импульсный преобразователь нулевого напряжения и нулевого тока с низкими напряжениями и токами. IET Power Electr . 1, 297–304. DOI: 10.1049 / IT-PEL: 20070038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хегази, О., Мирло, Дж. В., и Латэр, П. (2012). Анализ, моделирование и реализация преобразователя постоянного / постоянного тока с чередованием из нескольких устройств для гибридных электромобилей на топливных элементах. IEEE Trans. Электроэнергия .27, 4445–4458. DOI: 10.1109 / TPEL.2012.2183148

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кауан М., Бухелифа А. и Черити А. (2015). «Понижающий-повышающий преобразователь с регулируемым выходным напряжением для фотогальванической энергетики», Труды 3-й Международной конференции по возобновляемым и устойчивым источникам энергии (Марракеш), , 1–6. DOI: 10.1109 / IRSEC.2015.7455114

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кирчоглу, О., Унлу, М., и Чамур, С.(2016). «Моделирование и анализ преобразователя постоянного тока в постоянный ток SEPIC со связанными катушками индуктивности», в Труды Международного симпозиума по промышленной электронике (Баня-Лука), 1–5. DOI: 10.1109 / INDEL.2016.7797807

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Натараджан С., Падмавати П., Калвакурти Дж. Р., Бабу Т. С., Рамачандарамурти В. К. и Падманабан С. (2019). Проведено подавление спектральных пиков электромагнитных помех в luo-конвертере с использованием метода хаотической ШИМ на основе FPGA. Электр. Power Comp. Syst. 47, 838–848. DOI: 10.1080 / 15325008.2019.1629510

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк К., Мун Г. и Юн М. (2010). Неизолированный повышающий преобразователь с высоким повышением, интегрированный с преобразователем SEPIC. IEEE Trans. Электроэнергия . 25, 2266–2275. DOI: 10.1109 / TPEL.2010.2046650

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Поп-Калиману, И. М., Лика, С., Попеску, С., Ласку, Д., Ли, И., и Мирсу, Р.(2019). Новый повышающий DC-DC преобразователь на основе гибридной катушки индуктивности, подходящий для применения в фотоэлектрических системах. Энергия 12: 252. DOI: 10.3390 / en12020252

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Премкумар М., Картик К. и Соумья Р. (2018a). Сравнительное исследование и анализ традиционных преобразователей постоянного тока в постоянный ток на основе фотоэлектрических систем и методов MPPT. Ind. J. Electr. Англ. Комп. Sci . 11, 831–838. DOI: 10.11591 / ijeecs.v11.i3.pp831-838

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Премкумар, М., Sowmya, R., and Karthick, K. (2018b). Набор данных исследования проектных параметров для солнечного фотоэлектрического контроллера заряда. Краткий обзор данных . 21, 1954–1962. DOI: 10.1016 / j.dib.2018.11.064

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Премкумар, М., Сумитира, Т. Р. (2019a). Разработка и внедрение новой топологии неизолированного микропреобразователя постоянного тока в постоянный с эффективной схемой ограничения. J. Circuits Syst. Comp . 28: 1950082. DOI: 10.1142 / S0218126619500828

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Премкумар, М., Сумитира, Т. Р. (2019b). Разработка и внедрение новой топологии бестрансформаторного прямого микроинвертора на базе солнечных батарей. J. Electr. Англ. Технол . 14, 145–155. DOI: 10.1007 / s42835-018-00036-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Премкумар М., Сумитира Т. Р. и Соумья Р. (2018c). Моделирование и реализация каскадного многоуровневого инвертора в виде микроинвертора на базе солнечных фотоэлектрических систем с использованием ПЛИС. Внутр. J. Intell. Англ. Syst . 11, 18–27. DOI: 10.22266 / ijies2018.0430.03

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Росас-Каро, Дж. К., Санчес, В. М., Вальдес-Ресендис, Дж. Э., Майо-Мальдонадо, Дж. К., Бельтран-Карбахал, Ф., и Вальдеррабано-Гонсалес, А. (2018a). «Квадратичный повышающий преобразователь с положительным выходным напряжением и постоянным входным током», Труды Международной конференции по электронике, связи и компьютерам , (Чолула), 152–158.DOI: 10.1109 / CONIELECOMP.2018.8327191

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Росас-Каро, Дж. К., Вальдес-Ресендиз, Дж. Э., Майо-Мальдонадо, Дж. К., Алехо-Рейес, А., и Вальдеррабано-Гонсалес, А. (2018b). Квадратичный повышающий преобразователь с положительным выходным напряжением и конструкцией с минимальной точкой пульсации. IET Power Electr . 11, 1306–1313. DOI: 10.1049 / iet-pel.2017.0090

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сараванан, С., Бабу, Н. Р. (2015).«Анализ производительности повышающего преобразователя и преобразователя Cuk в фотоэлектрической системе на основе MPPT», Международная конференция по схемам, силовым и вычислительным технологиям (Nagercoil), 1–6. DOI: 10.1109 / ICCPCT.2015.7159425

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Селван, Э., Парк, Г., и Гаджик, З. (2015). Оптимальное управление преобразователем Cuk, используемым в солнечных элементах, с помощью метода скачкообразного изменения параметров. Приложение IET Control Theory Appl . 9, 893–899. DOI: 10.1049 / iet-cta.2014.0258

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шамшуддин, М.А., Бабу, Т. С., Драгичевич, Т., Миятаке, М., и Раджашекар, Н. (2017). Техника управления энергией на основе приоритетов для интеграции солнечных фотоэлектрических систем, батарей и топливных элементов в автономную микросеть постоянного тока. Электр. Power Comp. Syst . 45, 1881–1891. DOI: 10.1080 / 15325008.2017.1378949

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юсри Д., Бабу Т. С., Аллам Д., Рамачандарамурти В. К. и Этиба М. Б. (2019). Новый алгоритм хаотического опыления цветов для глобального отслеживания точки максимальной мощности для фотоэлектрической системы в условиях частичного затенения. Доступ IEEE . 7, 121432–121445. DOI: 10.1109 / ACCESS.2019.2937600

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзэн, Т., Ву, З., и Хе, Л. (2019). Повышающий преобразователь с чередованием и плавным переключением, с низким уровнем пульсаций входного тока и высоким КПД. Доступ IEEE . 7, 93580–93593. DOI: 10.1109 / ACCESS.2019.2928227

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Повышающие преобразователи

| Повышающий регулятор IC

Повышающие преобразователи, также известные как повышающие преобразователи, представляют собой устройства преобразования мощности постоянного тока в постоянный (тип импульсного преобразователя), используемые для увеличения напряжения от входного источника к его выходу с одновременным понижением электрический ток.Входная мощность может поступать от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, выпрямители и генераторы постоянного тока. Повышающие преобразователи содержат по меньшей мере два полупроводника, таких как диоды или транзисторы, и по меньшей мере один элемент накопления энергии, такой как конденсатор, катушка индуктивности, или он может содержать оба в комбинации.

RS Components предлагает ряд повышающих преобразователей различных производителей, включая Analog Devices, Maxim Integrated, Texas Instruments и другие.

Как работают повышающие преобразователи?

Повышающий преобразователь может накапливать энергию в своей катушке индуктивности и затем одновременно высвобождать ее при более высоком напряжении нагрузки, чем было введено вначале, что делает его очень полезным для ускорения устройств.Чтобы сохранить мощность схемы (поскольку P = VI), выходной ток ниже, чем входной, чтобы учесть более высокое напряжение.

Преобразователи

Boost могут работать в основном в одном из двух режимов: непрерывно или прерывисто. В непрерывном режиме току никогда не позволяют достичь нуля во время процесса разряда (когда транзистор выключен), и, таким образом, катушка индуктивности может последовательно и эффективно создавать повышенное напряжение. В этом режиме время переключения транзистора между ВКЛ / ВЫКЛ рассчитано таким образом, что индуктор всегда быстро подключается обратно к входному источнику питания, не позволяя полностью разрядить индуктор.

В качестве альтернативы, работа повышающего преобразователя в прерывистом режиме означает, что существует больший период времени между состоянием ВКЛ и состоянием ВЫКЛ транзистора. В это время катушка индуктивности может полностью разрядиться и оставаться неактивной до тех пор, пока транзистор снова не будет включен, и это колебание может вызвать пульсации напряжения.

Где используются повышающие преобразователи?

ЖК, OLED-дисплеи

Тактильные дисплеи

Портативные устройства, такие как планшеты, MP3-плееры и мобильные телефоны

Сканеры штрих-кода

Что каждый инженер должен знать о повышающих преобразователях

Уоррен Миллер, писатель

Пониженно-повышающие преобразователи

представляют собой импульсный источник питания, который может подавать стабилизированный выход постоянного тока от источника напряжения выше или ниже желаемого выходного напряжения.Это может быть особенно полезно в приложениях с батарейным питанием, в которых напряжение батареи начинается выше желаемого уровня, но падает ниже по мере разряда батареи. Каждому инженеру полезно понимать основы повышающих преобразователей, потому что они стали таким важным элементом в электронных системах.

Как следует из их названия, повышающие преобразователи сочетают в себе элементы как понижающего преобразователя, так и повышающего преобразователя, оба из которых могут работать как с источником входного напряжения переменного, так и постоянного тока.Понижающий преобразователь выдает на выходе постоянный ток от 0 В до напряжения чуть ниже входного. Распространенным применением является шасси связи, в котором входное напряжение может достигать 48 В, но напряжение отдельной платы может быть не выше 12 В. Понижающий преобразователь может сначала отрегулировать входное напряжение до значения, близкого к 12 В, и тогда дополнительные преобразователи будут генерировать еще более низкие напряжения, необходимые для микроконтроллера платы, памяти или FPGA. Часто для платы требуется три или четыре различных напряжения, поэтому вы можете видеть, что запуск с напряжения выше, чем требуется для отдельных устройств, является выгодным.

Грамотно названный повышающий преобразователь может выдавать выходное напряжение выше входного. Это достигается переключением схемы между режимом, в котором энергия накапливается в катушке индуктивности, в то время как конденсатор обеспечивает выход, и режимом, в котором эта накопленная энергия высвобождается для перезарядки конденсатора. Когда ток через катушку индуктивности отключен, энергия, запасенная в ее магнитном поле, высвобождается в виде импульса высокого напряжения, когда поле схлопывается, и результирующий ток отправляется на конденсатор для повышения выходного напряжения.Работа повышающего преобразователя в повышающем режиме показана на рисунках ниже.

Рис. 1: Понижающий преобразователь, работающий в повышающем режиме. Источник изображения: learnabout-electronics.org .

На верхнем рисунке блок управления выбирает переключатели таким образом, чтобы выходное напряжение поступало от выходного конденсатора, а ток от входного источника проходил через катушку индуктивности. На нижнем рисунке блок управления изменяет настройки переключателя, и входное напряжение (Vs) добавляется к напряжению на катушке индуктивности (L), чтобы зарядить конденсатор до напряжения, превышающего входное напряжение, и обеспечить его на выходе.

Работа преобразователя в понижающем режиме выполняется путем постоянного выключения Tr2 и последующего включения и выключения Tr1. Диод D1 проводит, когда Tr1 выключен, чтобы замкнуть цепь и поддерживать ток, протекающий на выходе. Эти два режима показаны на следующем рисунке.

Рис. 2: Понижающий-повышающий преобразователь, работающий в понижающем режиме. Источник изображения: learnabout-electronics.org .

Импульсные источники питания

используются практически во всех элементах электроники, и основы их работы могут быть полезны практически для любой инженерной дисциплины, а не только для электроники.Всем, кто интересуется новым уровнем детализации, следует посетить learnabout-electronics.