Импульсный регулятор напряжения схема: Импульсный регулятор тока и напряжения. И транзисторного импульсного регулятора напряжения. Особенности пуска ирпн

ДВА ПРОСТЫХ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Собранный однажды простейший регулятор напряжения на одном транзисторе был предназначен для определённого блока питания и конкретного потребителя, никуда больше его подключать было конечно не нужно, но как всегда наступает момент, когда правильно поступать мы перестаём. Следствием этого являются хлопоты и раздумья как жить-быть дальше и принятие решения восстанавливать сотворённое ранее или продолжать творить.

Схема номер 1

Имелся стабилизированный импульсный блок питания, дающий на выходе напряжение 17 вольт и ток 500 миллиампер. Требовалось периодическое изменение напряжения в пределе 11 – 13 вольт. И общеизвестная схема регулятора напряжения на одном транзисторе с этим прекрасно справлялась. От себя добавил к ней только светодиод индикации да ограничительный резистор. К слову, светодиод здесь это не только «светлячок» сигнализирующий о наличии выходного напряжения. При правильно подобранном номинале ограничительного  резистора, даже небольшое изменение выходного напряжения отражается на яркости свечения светодиода, что даёт дополнительную информацию о его повышении или понижении. Напряжение на выходе можно было изменять от 1,3 до 16 вольт.

КТ829 – мощный низкочастотный кремниевый составной транзистор, был установлен на мощный металлический радиатор и казалось, что при необходимости он вполне может выдержать и большую нагрузку, но случилось короткое замыкание в схеме потребителя и он сгорел. Транзистор отличается высоким коэффициентом усиления и применяется в усилителях низкой частоты – видно действительно его место там а не в регуляторах напряжения.

Слева снятые электронные компоненты, справа приготовленные им на замену. Разница по количеству в два наименования, а по качеству схем, бывшей и той, что решено было собрать, она несопоставима. Напрашивается вопрос – «Стоит ли собирать схему с ограниченными возможностями, когда существует более продвинутый вариант «за те же деньги», в прямом и переносном смысле этого изречения?»

Схема номер 2

В новой схеме также присутствует трёхвыводной эл. компонент (но это уже не транзистор) постоянный и переменный резисторы, светодиод со своим ограничителем. Добавлено только два электролитических конденсатора. Обычно на типовых схемах указаны минимальные значения C1 и C2 (С1=0,1 мкФ и С2=1 мкФ) которые необходимы для устойчивой работы стабилизатора. На практике значения емкостей составляют от десятков до сотен микрофарад. Ёмкости должны располагаться как можно ближе к микросхеме. При больших емкостях обязательно условие C1>>C2. Если ёмкость конденсатора на выходе будет превышать ёмкость конденсатора на входе, то возникает ситуация при которой выходное напряжение превышает входное, что приводит к порче микросхемы стабилизатора. Для её исключения устанавливают защитный диод VD1.

У этой схемы уже совсем другие возможности. Входное напряжение от 5 до 40  вольт, выходное 1,2 – 37 вольт. Да, имеется падение напряжения вход – выход равное примерно 3,5 вольтам, однако роз без шипов не бывает. Зато микросхема КР142ЕН12А именуемая линейным регулируемым стабилизатором напряжения имеет неплохую защиту по превышению тока нагрузки и кратковременную защиту от короткого замыкания на выходе. Её рабочая температура до + 70 градусов по Цельсию, работает с внешним делителем напряжения. Выходной ток нагрузки до 1 А при длительной работе и 1,5 А при непродолжительной. Максимально допустимая мощность при работе без теплоотвода 1 Вт, если микросхему установить на радиатор достаточного размера (100 см.кв.) то Р макс. = 10 Вт.

Что получилось

Сам процесс обновлённого монтажа занял времени ни сколько не больше чем предыдущий. При этом получен не простой регулятор напряжения, который подключается к блоку питания стабилизированного напряжения, собранная схема при подключении даже к сетевому понижающему трансформатору с выпрямителем на выходе сама даёт необходимое стабилизированное напряжение. Естественно, что выходное напряжение трансформатора должно соответствовать допустимым параметрам входного напряжения микросхемы КР142ЕН12А. Вместо неё можно использовать и импортный аналог интегральный стабилизатор LM317Т. Автор Babay iz Barnaula.

   Форум по ИП

   Форум по обсуждению материала ДВА ПРОСТЫХ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Импульсные стабилизаторы напряжения на микросхемах и транзисторах

Стабилизатор напряжения с широтно-импульсным управлением А. Колдунова (рис. 7.1) является усовершенствованным вариантом стабилизатора П. Беляцкого.

Рис. 7.1. Схема стабилизатора регулируемого напряжения (0…25 В) с широтно-импульсным управлением.

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 собран генератор прямоугольных импульсов с широтно-импульсным управлением. Генератор питается от параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1. Выходные импульсы с генератора поступают на двухкаскадный транзисторный ключ (транзисторы VT2 и ѴТЗ), коммутирующий индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1. Выходное напряжение заряжает конденсатор большой емкости СЗ. Напряжение, снимаемое с этого конденсатора, через регулируемый резистивный делитель R7 и R8 поступает на базу транзистора ѴТ1, управляющего длительностью генерируемых импульсов, и, следовательно, определяющего величину энергии, накапливаемой в индуктивном накопителе энергии.

Величину выходного напряжения можно изменять в пределах от 0 до 25 В при величине питающего напряжения 40 В. Поскольку устройство имеет высокий КПД, то при токе нагрузки менее 200 мА теплоотвод для транзистора VT2 не обязателен.

Дроссель L1 намотан на ферритовом кольце с внешним диаметром 10… 15 мм проводом ПЭВ-2 0,6…0,8 мм до заполнения и залит парафином для снижения свиста. Импульсные стабилизаторы обладают более высоким КПД при среднем и большом токе нагрузки, однако при малом токе КПД у них меньше.

Схема устройства, показанная на рис. 7.2, лишена такого недостатка [7.2]. Это позволяет применять его практически в любой аппаратуре: как в различных цифровых, так и в звуковоспроизводящих и радиоприемных устройствах.

Технические характеристики:

Ток холостого хода, не более — 0,25 мА.

Длительный номинальный ток нагрузки — 100 мА.

Максимальный ток нагрузки — 200 мА.

Входное напряжение — 11… 15 в.

Выходное стабилизированное напряжение — 9 В.

КПД: при входном напряжении 11 Б и номинальном токе нагрузки — 82% при 13 б и токе нагрузки 10 мА — 65%; 100 мА — 72%; 200 мА — 69%.

Коэффициент стабилизации при номинальном токе нагрузки не менее — 300.

Амплитуда пульсаций при максимальном токе нагрузки не более 2 мВ.

Стабилизатор (рис. 7.2) содержит коммутирующий составной транзистор VT1, VT2, коммутирующий диод VD2 и дроссель L1. В узел управления входят опорный элемент на транзисторе ѴТЗ и компаратор DA1. На выходе стабилизатора включен транзисторный фильтр ѴТ4, ѴТ5. Основа узла управления — компаратор DA1 на ОУ типа К140УД12. К его инвертирующему входу подключен микромощный опорный элемент, выполненный на обратносмещенном эмиттерном переходе транзистора ѴТЗ. Напряжение его стабилизации (лавинного пробоя) 7…7,5 В обеспечивается при токе 20…30 мкА.

Рис. 7.2. Схема экономичного импульсного стабилизатора напряжения.

На неинвертирующий вход ОУ подается сигнал с резистивного делителя R5 — R7. Выходное напряжение регулируется потенциометром R6.

Конденсатор СЗ увеличивает фазовый сдвиг сигнала обратной связи, что необходимо для циклического характера работы устройства. Он же определяет рабочую частоту и в значительной мере влияет на величину пульсаций.

Выход компаратора подключен к базе составного транзистора (VT1, VT2) через резистор R3, задающий ток управления, и стабилитрон VD1, который обеспечивает отсечку управляющего тока и надежное закрывание коммутирующего транзистора во всем интервале входного напряжения. Конденсатор С2 подавляет высокочастотные помехи.

На выходе стабилизатора включен не традиционный LC-фильтр, а транзисторный, что позволяет улучшить динамические характеристики устройства и подавить пульсации не менее чем на 40 дБ. У транзисторного фильтра есть еще одно преимущество — «мягкое» включение стабилизатора: его выходное напряжение плавно нарастает в течение 2…4 с. Негативным моментом использования транзисторного фильтра является снижение КПД стабилизатора на 6…8%.

Дроссель L1 содержит 28 витков провода ПЭВ-2 0,57, намотанного на броневом магнитопроводе Б14 из феррита 2000НМ. Немагнитный зазор 0,2 мм в магнитопроводе обеспечен прокладкой из бумаги.

Транзисторы устройства при номинальном токе не требуют теплоотвода. Если стабилизатор предполагают эксплуатировать при токе нагрузки более 50 мА, то транзистор ѴТ1 должен быть типа КТ81х и его следует установить на теплоотвод площадью 10. .. 15 смг. Допустимо использовать транзисторы КТ639, КТ644, тогда выходной ток стабилизатора можно увеличить до 0,5 А.

Типовая схема импульсного стабилизатора напряжения, построенного на микросхеме КР142ЕП1А, изображена на рис. 7.3. Источник опорного напряжения микросхемы питается непосредственно входным напряжением стабилизатора, а пороговое устройство — стабилизированным, снимаемым с вывода 6 (оно поступает через транзистор ѴТ1, являющийся усилителем тока).

Коммутирующим элементом стабилизатора, собранным на транзисторах ѴТ2, ѴТЗ, управляет импульсный сигнал, снимаемый с выводов 2, 3 микросхемы. На базу (выв. 4) внутреннего составного транзистора микросхемы, служащего встроенным коммутирующим элементом, сигнал поступает с выхода порогового устройства (выв. 11). Сигнал обратной связи снимается с выхода стабилизатора и через резистивный делитель напряжения R6 и R9 подводится ко входу дифференциального усилителя порогового устройства (выв. 12). На второй вход усилителя (выв. 13) подано стабильное напряжение с источника опорного напряжения.

Рис. 7.3. Типовая схема импульсного стабилизатора напряжения на микросхеме КР142ЕП1А.

При работе микросхемы в составе ключевого стабилизатора пороговое устройство переключается с частотой, зависящей от параметров элементов стабилизатора, режима микросхемы и тока нагрузки. Если при воздействии дестабилизирующих факторов выходное напряжение стабилизатора изменяется, то в силу действия обратной связи изменяется и частота переключения, причем так, что выходное напряжение возвращается к установленному уровню.

Если по тем или иным причинам необходимо, чтобы работа порогового устройства была синхронизирована с частотой какого-либо внешнего генератора, его синхронизирующий сигнал подают на выводы 14 и 15 микросхемы. Это дает возможность строить импульсные стабилизаторы с широтно-импульсным {ШИ) регулированием. Частота переключения коммутирующего элемента в ШИ стабилизаторе постоянна, а под влиянием дестабилизирующих факторов изменяется соответствующим образом длительность открытого состояния коммутирующего элемента.

Основные электрические характеристики микросхемы:

Входное напряжение (подводимое к выв. 5) — 10…40 В.

Максимальная частота коммутации при входном напряжении 40 В, выходном токе 50 мА и температуре окружающей среды -Ю…+25°С — до 300 кГц.

Для получения стабильных выходных напряжений +12 и +5 В от автомобильного или иного аккумулятора напряжением 9… 12 (9… 18) В может быть использован повышающий импульсный стабилизатор напряжения (рис. 7.4), на выходе которого включены микросхема DA2 типа 7812 на напряжение 12 В и микросхема DA3 типа 7805 на напряжение 5 В.

Рис. 7.4. Схема повышающего импульсного стабилизатора напряжения.

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения собран на микросхеме DA1 типа UC3843N, выход которой подключен к ключевому полевому транзистору VT1 типа BUZ11. В схеме используется дроссель индуктивностью 50 мкГн (20…60 мкГн). Он намотан на ферритовом кольце К25х11×22 1000НМ и содержит 20 витков максимально толстого провода. Диод выпрямителя — типа 1N5818. Напряжение на конденсаторе С6 — 18 В.

Частота преобразования 50 кГц. Выходной ток преобразователя до 3 А при КПД примерно 70%.

Двухполярный импульсный стабилизатор напряжения, предназначен для питания измерительного прибора, его схема показана на рис. 7.5. Стабилизатор выполнен на основе специализированной микросхемы МАХ743.

Рис. 7.5. Схема двухполярного импульсного стабилизатора напряжения.

Для создания современных импульсных стабилизаторов напряжения с высокой рабочей частотой (более 100 кГц) и КПД до 90% и выше разработана специализированная микросхема управления типа UC3843 фирмы UNITRODE CORP.

Для создания серии импульсных стабилизаторов напряжения может быть использован типовой блок управления, в состав которого входит микросхема UC3843 (рис. 7.6).

Схема мощного импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа с защитой от перегрузок по току с использованием типового блока управления показана на рис. 7.7.

Дроссель L1 (рис. 7.6) намотан на кольце К10x6x4,5 из пермаллоя МП140 и содержит 5 витков жгута из 6 проводов ПЭВ 0,51 мм, уложенных по всему периметру кольца в один слой. Дроссель L1 (рис. 7.7) выполнен на кольце К19x11x4,8 из того же материала и содержит 12 витков из 10 скрученных вместе проводов того же диаметра.

Рис. 7.6. Схема типового блока управления с микросхемой UC3843.

Рис. 7.7. Схема мощного импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа.

Трансформатор Т1 намотан на кольце К10x6x3 2000НМ1. Вторичная обмотка II намотана проводом ПЭВ 0,2 мм и содержит 200 витков, равномерно уложенных по периметру. Первичная обмотка — 1 виток многожильного провода сечением 1 мм2, проходящего через отверстие кольца. Концы его подключены к стоку транзистора VT2 и точке соединения катода диода VD1 и левого по схеме вывода дросселя L1. Необходимо соблюдение полярности подключения обмоток.

Основные характеристики стабилизатора: входное напряжение— 8… 15 В; выходное напряжение — 5 В; максимальный выходной ток — 10 А\ амплитуда пульсаций выходного напряжения — не более 100 мВ, нестабильность выходного напряжения — 2%; частота преобразования — 100 кГц’, среднее значение КПД — 90%.

Усовершенствованный вариант схемы предыдущего стабилизатора (рис. 7.8) имеет повышенный КПД за счет использования нового схемотехнического решения, которое позволяет значительно уменьшить падение напряжения на коммутирующем диоде.

Суть этого решения состоит в том, что коммутирующий диод заменяется на биполярный или полевой транзистор. Его включают, когда диод должен быть открыт, а выключают — когда закрыт. Падение напряжения на открытом транзисторе может быть в 5… 10 раз меньше, чем даже на диоде ИІотки. Так, за счет использования в качестве коммутирующего диода п-канального полевого транзистора IRF3205 (ѴТЗ) с сопротивлением открытого канала 8 мОм, падение напряжения на нем не превышает 100 мВ при максимальном токе нагрузки. Для сравнения — соответствующее падение напряжения в тех же условиях для диодов Шотки достигает 500 мВ.

Рис. 7.8. Схема усовершенствованного варианта импульсного стабилизатора.

Рис. 7.9. Схема импульсного стабилизатора с повышенной эффективностью преобразования.

При примерно тех же основных параметрах потери в новом варианте стабилизатора снижены до минимума, его КПД приближается к 95%.

Еще одна схема импульсного стабилизатора с использованием полевого транзистора показана на рис. 7.9.

Большинство его характеристик в основном такие же, как и у схемы на рис. 7.7, однако амплитуда пульсаций выходного напряжения снижена до 80 мВ, а частота преобразования повышена до 120 кГц. При этом среднее значение КПД при максимальном токе нагрузки во всем интервале изменения входного напряжения составляет не менее 95%.

Данные намоточных элементов те же, что и для схемы на рис. 7.7.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

5.1.5 Импульсные регуляторы

В основе работы импульсных или ключевых регуляторов напряжения лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент , (рис. 5.1.11) который периодически замыкается и размыкается.

Рис.5.1.11 Импульсный регулятор с последовательным ключевым элементом: а) эквивалентная схема; б) диаграмма выходного напряжения на нагрузке; в) зависимость коэффициента пульсаций от времени разомкнутого состояния ключа

Время замкнутого и разомкнутогосостояния ключа можно изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления (СУ). В результате к нагрузке будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме представленной на рис. 5.1.11,б. Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояния ключа. Согласно определению, среднее значение напряжения можно записать:

где – среднее значение напряжения на нагрузке;– период переключения ключа;– частота переключения ключа.

Отношение называют скважностью работы ключа. Изменяя скважность, можно регулировать выходное напряжение на нагрузке. Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения скважности, можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключом. Возможны три способа модуляции входного напряжения:

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда время – переменная, а частота– постоянная.

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), когда время – постоянная, а частота– переменная.

3. Широтно-частотная модуляция (ШЧМ), когда время и частота– переменные.

Система автоматического управления ключом может быть выполнена, как с цепью обратной связи (регулирование по отклонению), так и без цепи обратной связи, с контролем входного напряжения (регулирование по возмущению). В этих случаях ключевой регулятор можно считать регулятором компенсационного типа. Кроме того, существует класс ключевых регуляторов с регулированием релейного типа. В таких преобразователях сигнал в цепи обратной связи, подаваемый на исполнительный орган (в данном случае ключ ) изменяется скачком, когда сигнал рассогласования эталонного и контролируемого напряжений становятся равным нулю. При расчете ключевых регуляторов чаще всего используются следующие параметры:

1. Среднее значение выходного напряжения

,

его относительное значение ;

2. Действующее значение выходного напряжения

и его относительное значение ;

3. Коэффициент формы

;

4. Коэффициент пульсации

,

где – амплитуда первой гармоники кривой выходного напряжения.

Коэффициент пульсации увеличивается с ростом скважности , т.е. при увеличении времениключа. На рис. 5.1.11, в представлена зависимость КП от, из которой видно, что он может при работе регулятора изменяться в диапазоне от 0 до 2 (или 200%). В формуле выше не учитывает высшие гармоники в кривой выходного напряжения, амплитуда которой также существенно увеличивается с ростом скважности, затрудняя фильтрацию переменной составляющей в целом.

В некоторых схемах ключевой элемент может быть включен параллельно нагрузке рис. 5.1.12.

Рис. 5.1.12 Импульсный стабилизатор с параллельным ключевым элементом

Сущность регулирования напряжения в таких схемах аналогична, но сами схемы и электромагнитные процессы в регуляторах с параллельным ключом значительно отличаются от схем и процессов, протекающих в регуляторах с последовательным ключевым элементом.

Поскольку напряжение после ключевого элемента носит явно выраженный импульсный характер, в ключевых регуляторах устанавливают фильтры состоящие из реактивных элементов – индуктивности и емкости. Назначение выходных фильтров – отфильтрововать переменную составляющую напряжения, уменьшив тем самым коэффициент пульсации напряжения на нагрузке. Помимо выходных фильтров, некоторые регуляторы содержат входные фильтры, предназначенные для уменьшения пульсации тока, потребляемого от источника постоянного тока. В большинстве схем ключевых регуляторов параметры фильтра определяют характер электромагнитных процессов, протекающих в схеме, и расчет их имеет свои особенности.

Остановимся более подробно на основных расчетных соотношениях и процессах характеризующих работу ключевых регуляторов. Рассмотрим схему с последовательным ключевым элементом (например транзистором) и Г-образным -фильтром, получившим наиболее широкое распространение (рис. 5.1.13).

Рис. 5.1.13. Импульсный регулятор с -фильтром: а) принципиальная схема; б) диаграммы токов и напряжений в режиме работы с непрерывным током; в) диаграммы токов и напряжений в режиме работы с прерывным током

Предположим, что в момент времени транзистор перешел в открытое состояние. Под воздействием разности входного напряжения и напряжения на конденсаторе начинает нарастать ток . Полагая транзистор идеальным ключевым элементом, падение напряжения на котором равно нулю, и пренебрегая пульсацией напряжения на конденсаторе, которая практически мала, получаем уравнение:

.

Из этого выражения, следует, что ток будет нарастать по линейному закону:

,

где – ток, проходящий в момент выключения транзистора.

В момент времени происходит включение транзистора. В схему введен диод, через который в момент размыкания ключа начинает протекать ток . При отсутствии диода на разомкнутом ключевом элементе возникли бы недопустимые перенапряжения, которые привели бы его к выходу из строя. Переход в проводящем состоянии диода равнозначен закорачиванию входа фильтра (если считать диод идеальным, падение напряжения на котором равно нулю). В результате к реактору прикладывается напряжение нагрузкив направлении уменьшающим ток , что можно выразить уравнением:

.

Из этого выражения следует, что ток в реакторе начинает убывать по линейному закону.

,

где – ток в моменткогда происходит размыкание ключа.

Затем в момент снова происходит включение ключа, и ток начинает увеличиваться.

Если к концу интервала разомкнутого состояния ключа ток не успевает снизиться до нуля, то такой режим работы называют режимом непрерывного тока. На рис. 5.1.13 представлены диаграммы токов и напряжений на элементах схемы в режиме работы непрерывного тока, который является для большинства схем основным. Пульсации тока в реакторе:

.

Пульсации выходного напряжения можно определить исходя из следующих соображений: в установившемся режиме работы схемы с нагрузкойсреднее значение токов в реакторе и в нагрузке равны между собой, следовательно, среднее значение тока протекающего через конденсатор равно нулю; и изменение напряжения (т.е. пульсация) определяется только пульсацией тока . Когда ток выше среднего значения, напряжение на конденсаторе увеличивается, а когда меньше – уменьшается. Учитывая сказанное можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи реактора и конденсатора в следующем виде:

где – период переключения ключевого элемента,– среднее значение тока, поступающее в конденсатор за время равное, когда напряжение на конденсаторе изменяется на. Сопоставив уравнения, нетрудно получить:

.

Для получения малых всплесков и провалов выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки необходимо индуктивность фильтра выбирать по возможности малую, а емкость большую. В этом случае в области малых нагрузок схема будет работать с прерывистыми токами. На рис. 5.1.13, в представлена диаграмма тока и напряжение на ключевом элементе (транзисторе) в прерывистом режиме. Когда ток в реакторе спадает до нуля диод выключается и на ключевом элементе напряжение становится равным разности входного и выходного напряжений, что и отражено ступенчатой формой кривой напряжения на транзисторе.

При расчете схемы с последовательным ключевым элементом, работающей в режиме с непрерывным током и регулируемой по способу ШИМ, исходными данными обычно являются средние значения напряжения регулятораи относительное значение выходного напряжения:

,

где – номинальное значение входного напряжения,– абсолютное отклонение входного напряжения.

Учитывая возможности системы управления регулятора, задаются минимальным значением времени разомкнутого состояния ключа и частотой его переключения, которые она может обеспечить. Затем определяют минимальное значение входного напряжения по формуле:

Зная относительные значения отклонений входного напряжения от номинального определяют номинальное входное напряжение:

.

Согласно выражению выбирают напряжение регулятора источника постоянного тока, например выпрямителя с транзистором, питающемся от сети с известным напряжением. Максимальное значение входного напряжения определяется по формуле:

По определяют максимальное значение времени разомкнутого состояние ключа:

и соответственно диапазон изменения скважности работы ключа регулятора напряжения.

, .

Параметры фильтра можно определить по .

Среднее значение тока через регулирующий элемент равно среднему значению тока нагрузки , а максимальное с учетом пульсации равно.

.

Рассмотрим теперь вариант схемы с параллельным ключевым элементом (рис. 5.1.14).

Рис. 5.1.14 Импульсный регулятор с параллельным ключевым элементом: а) принципиальная схема; б) диаграмма изменения магнитного потока и входного тока

Схемы подобного типа могут различаться соотношением чисел витков, определяемых отводом от обмотки реактора фильтра, с которой соединен ключевой элемент (транзистор). Соотношением чисел витков в принципе не изменяет характер процессов протекающих в схеме, но влияет на параметры, характеризующие ее работу. Предположим, что в момент транзисторвключается. Часть обмотки реактора с числом витковоказывается подключенной к источнику питания с напряжением, и в ней начинает нарастать ток регулятора. Для интервала открытого состояния транзистораVT можно написать следующее уравнение:

,

где – индуктивность части обмотки реактора с числом витков.

Согласно выражению ток изменятся линейно и за время замкнутого состояния ключа нарастает до.

,

где  – максимальный ток в обмоткев момент замыкания ключа ( в моменты замыкания и размыкания ключа входной ток изменяется скачком).

На интервале замкнутого состояния ключа происходит накопление энергии в индуктивности , а напряжение на выходе регулятора равно напряжению на конденсаторе, который разряжается на нагрузку. В момент временипроисходит размыкание ключа, в результате к обмотке, индуктивность которой равна, будет приложено напряжение равное разности входного и выходного напряжений, следовательно, для интервала разомкнутого состояния ключа можно записать:

.

В рассматриваемой схеме , поэтому выходное напряжение больше входного, следовательно, ток будет уменьшаться, и в конце интервала разомкнутого состояния ключа прион будет иметь минимальное значение:

,

где – минимальный входной ток в момент размыкания ключа.

Скачкообразное изменение входного тока в момент коммутации ключа объясняется следующими явлениями. Поскольку магнитный поток в магнитопроводе реактора скачком измениться не может, то в момент размыкания ключа должно сохраняться равенство намагничивающих сил его обмоток, то есть при:

.

Из этого выражения следует, что при выключении транзистора (размыкание ключа) ток в обмоткереактора скачком изменится и станет равным:

.

При разомкнутом состоянии ключа весь ток будет поступать в нагрузкуи конденсатор, а следовательно и энергия накопленная в индуктивностибудет предаваться в нагрузку, частично запасаясь в конденсаторе для поддержания напряжения на нём в период замкнутого состояния ключа.

Следует помнить, что в данном случае рассматриваются установившиеся процессы работы ключа, характер которых идентичен в течение каждого периода, поэтому ток в начале замкнутого состояния ключа можно выразить соотношением:

.

Диаграмма изменения входного тока (в обмотке ) представлена на рисунке 4.2.13, б). Из изложенного следует, что реактор в данной схеме выполняет две основные функции: ограничивает максимальное значение тока, потребляемого регулятором от источника тока, являясь, таким образом, входным фильтром и накапливает энергию при замкнутом состоянии ключа для последующей передачи её в нагрузку. Последнее позволяет получать на выходе регулятора более высокое напряжение, чем входное. Связь средних значений входного и выходного напряжений выражается следующим соотношением:

.

Изменяя скважность по определённому закону, можно регулировать выходное напряжение. Параметрпозволяет при проектировании регулятора согласовывать значения входного и выходного напряжений, однако при этом следует учитывать, что с уменьшением скважности растёт максимальное значение напряжения на ключевом элементе:

,

где – минимальное входное напряжение, определяющее минимальную скважность.

При проектировании регулятора, рассчитав допустимую скважность при заданном значениии значении, определяемым типом выбранного ключевого элемента, находят параметр:

.

Затем по заданному максимальному входному напряжению , определяют максимальное значение скважности, используя формулу:

Импульсные регуляторы на большие мощности разрабатываются обычно на основе тиристоров, которые выполняют функции ключевых элементов схемы.

Основным достоинством импульсных регуляторов является высокий КПД, обусловленный малыми потерями в регулируемом ключевом элементе. Следствием высокого значения КПД импульсных регуляторов является их хорошие массогабаритные показатели. В то же время наличие высокого уровня пульсации при регулировании вызывает необходимость в увеличении коэффициента сглаживания фильтров регулятора, однако последнее может быть реализовано при сравнительно небольшой установленной мощности элементов фильтра, если повысить рабочую частоту регулятора до рациональных значений для каждого конкретного случая.

Импульсный стабилизатор напряжения, схема – Поделки для авто

Импульсные стабилизаторы напряжения в последнее время становятся достаточно популярными благодаря компактным размерам и сравнительно высокому КПД и  ближайшем будущем они полностью вытеснят старые и добрые аналоговые схемы.
Сейчас за пару долларов в Китае можно приобрести готовый модуль DC-DC преобразователя, который обеспечивает регулировку выходного напряжения, имеет возможность ограничивать ток и работает в довольно широком диапазоне входных напряжений.

Наиболее популярная микросхема, на которой строятся такие стабилизаторы – LM2596. Максимальное напряжение до 35 вольт, при токе до 3-х ампер. Работает микросхема в импульсном режиме, нагрев на ней не очень сильный при довольно внушительных нагрузках, компактна и стоит копейки.

Добавлением ОУ можно получить и ограничение выходного тока, скажу больше – стабилизацию тока, иными словами – ток будет держаться на уровне заданного не зависимо от напряжения.
Такие модули довольно компактны и можно встроить в любую самодельную конструкцию блока питания и зарядного устройства. Подключив на выход цифровой вольтметр мы будем знать какое напряжение на выходе. .

На самой плате имеются подстроечные резисторы для ограничения выходного тока и регулировки напряжения. Диапазон входного напряжения позволит внедрять такой модуль в автомобиль, напрямую подключив к бортовой сети 12 Вольт. Что это нам даст ?

1. 1) Универсальное зарядное устройство с большим током. Можно заряжать любые смартфоны, планшеты, плееры и прочие проигрыватели, навигаторы и портативные охранные системы, притом к устройству можно подключать скажем 2-3 смартфона одновременно и все они будут одинаково хорошо заряжаться.

2. 2) Подключите устройство скажем к адаптеру ноутбука, выставьте на выходе 14-15 Вольт и смело заряжайте аккумулятор! 3 ампера довольно немалый ток для зарядки автомобильного аккумулятора, правда саму плату преобразователя придется установить на небольшой радиатор.

С полезностью платы однозначно нельзя поспорить, да и стоит копейки (не более 2-3 долларов США). Эту же плату можно изготовить в домашних условиях, при наличии определенных компонентов, правда готовый модуль стоит куда дешевле, чем отдельные компоненты.

Сдвоенный операционный усилитель, на первом элементе оу построен узел ограничения тока, на втором – индикация. Сама микросхема с обвязкой, силовой дроссель, который может быть намотан самостоятельно и пара регуляторов. Схема почти не перегревается при малых токах – но маленький теплоотвод не помешает.

Автор; АКА Касьян

– Bald Engineer

Импульсный стабилизатор напряжения – одна из моих любимых схем. В школе это были первые схемы, которые я построил, где я понял, как работают транзисторы. Фактически, это была первая схема, которую я увидел в полезной катушке индуктивности! Регуляторы переключения невероятно эффективны, если их правильно спроектировать. Конечно, эта деталь о дизайне важна. Они не так просты, как линейный регулятор, который по сути представляет собой микросхему и две крышки.

Чтобы понять основы импульсного регулятора, на этой неделе я выпустил AddOhms # 18. Это видеоурок, посвященный импульсному регулятору напряжения. Если видео-уроки не для вас, продолжайте читать мои письменные уроки.

Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Для более высокого уровня ознакомления ознакомьтесь с моим предыдущим учебным пособием по регулятору напряжения.

Пример линейного регулятора

Для линейных регуляторов требуется лишь небольшое количество компонентов, их легко добавить на плату, но они не очень эффективны.Импульсные регуляторы могут быть очень эффективными для конкретной схемы, но их сложно спроектировать.

Вернувшись к AddOhms # 17, мы говорили о том, как работают линейные регуляторы. В этом уроке мы рассмотрим импульсные регуляторы.

Основные компоненты импульсного преобразователя

Импульсный регулятор напряжения состоит из 4 основных компонентов.

Конденсаторы

Конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле. При подаче напряжения конденсатор заряжается.Когда напряжение падает, конденсатор разряжается.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности накапливают энергию в магнитном поле. Когда ток течет через индуктор, создается магнитное поле. Когда ток прекращается, магнитное поле коллапсирует, генерируя ток.

Импульсные регуляторы напряжения работают, используя свойства накопления энергии конденсатора и катушки индуктивности. Для контроля заряда и разряда этих компонентов мы используем диоды и транзисторы.

Диоды

Как мы обсуждали в AddOhms # 8, диоды пропускают ток только в одном направлении.Позже мы увидим, что это важно.

Переключатели (или транзисторы)

Переключатель или транзистор, используемый для управления регулятором, поэтому мы называем их «импульсными регуляторами».

Транзистор в импульсном регуляторе напряжения

Когда переключатель находится в положении «выключено», через него не течет ток. Отсутствие тока означает отсутствие потерь энергии. Когда переключатель находится в положении «включено», падение напряжения на переключателе составляет 0 вольт. Итак, опять же, энергия не тратится зря. Обычно в качестве транзистора используется полевой МОП-транзистор, однако можно построить преобразователь с биполярным транзистором.

Теперь, когда у нас есть все компоненты, давайте объединим их вместе.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь, также называемый понижающим преобразователем, создает выходное напряжение ниже его входного напряжения. Это похоже на то, как работают линейные регуляторы, такие как LM7805.

Катушка индуктивности пытается поддерживать ток, в то время как конденсатор пытается поддерживать постоянное напряжение. Когда мы подключаем катушку индуктивности к конденсатору, она становится источником тока, а конденсатор – источником напряжения.

Понижающий преобразователь с ШИМ

Транзистор используется для управления зарядкой и разрядкой катушки индуктивности. Например, вы можете использовать широтно-импульсную модуляцию, чтобы контролировать, как долго индуктор заряжается и разряжается.

В идеальной схеме все эти компоненты не будут иметь потерь мощности. На самом деле все они сжигают немного энергии, что известно как коммутационные потери.

Однако по сравнению с линейным регулятором напряжения эта схема переключения намного эффективнее.

Повышающий преобразователь

В отличие от линейных регуляторов, импульсные регуляторы могут создавать выходное напряжение, превышающее их входное. Это так называемые повышающие преобразователи. Потому что они повышают или повышают выходное напряжение. В повышающем преобразователе используются те же компоненты, что и в понижающем преобразователе, только в немного другой конфигурации.

Buck-Boost

Третий тип переключающего преобразователя представляет собой конфигурацию «пониженно-повышающая».Эта схема повышает низкое входное напряжение и снижает высокое входное напряжение. Существует несколько типов повышающих преобразователей. На рисунке изображен инвертирующий понижающий сигнал. Двумя другими популярными типами являются несимметричный преобразователь первичной индуктивности SEPIC и преобразователи Ćuk.

Они обычно используются в цепях батарей, чтобы извлечь из батареи максимально возможную энергию.

Интегральные схемы

Обычно для импульсного регулятора используется интегральная схема или ИС.Он содержит переключатель и контроллер ШИМ. Примером может служить понижающий преобразователь LM3671 от Texas Instruments.

LM3671 Упрощенная схема

На упрощенной схеме показаны входные конденсаторы, выходные конденсаторы и катушка индуктивности. Несмотря на то, что это выглядит просто, импульсный регулятор спроектировать намного сложнее, чем линейный регулятор.

LM3671 Datasheet имеет полную информацию

При проектировании печатной платы требуется много внимания. В этом случае TI предоставляет очень полезные рекомендации по компоновке в своем листе данных, а также много информации о том, как выбирать компоненты.

Готовые модули

Что делать, если вы не хотите прилагать столько усилий? Что ж, вы можете купить готовые коммутационные модули, которые просты как контакты ввода и вывода.

Например, Adafruit предлагает готовые модули для повышения, повышения и повышения уровня.

Заключение

Высокая эффективность импульсных регуляторов делает их идеальными для сильноточных приложений или проектов, работающих от батареи. Каков был ваш опыт использования или разработки собственных импульсных источников питания?

Я также хотел бы услышать любые ваши вопросы или советы по проектированию преобразователя постоянного тока в постоянный.Я могу использовать их в будущем посте (или видео).

Несколько цепей регулятора переключения

Регулятор переключения.

Импульсные регуляторы работают, отбирая небольшое количество энергии от входного источника и постепенно передавая ее на выход. Эта задача решается с помощью электронного переключателя (работающего на заданной частоте), который работает как вентиль между источником входной энергии и выходом. Этот вентиль контролирует количество заряда, передаваемого на выходную нагрузку.Выходное напряжение импульсного регулятора зависит от того, сколько времени переключатель остается замкнутым. Если время выключения переключателя велико, то на выходную нагрузку будет передаваться меньше энергии, и поэтому среднее выходное напряжение будет низким. Если время выключения переключателя короткое, то на выходную нагрузку будет передано больше энергии, что приведет к лучшему среднему выходному напряжению. Схема базового импульсного регулятора показана ниже.

Когда переключатель S1 замкнут, конденсатор Cout заряжается, а когда переключатель S1 разомкнут, Cout разряжается через нагрузку.Рабочий цикл S1 определяет, сколько энергии передается выходной нагрузке. Проще говоря, конденсатор Cout служит фильтром, который преобразует форму импульса от переключателя в постоянное напряжение. Выходное напряжение всегда будет функцией входного напряжения и рабочего цикла переключателя.

Схема практического импульсного регулятора показана выше. Эта схема имеет два дополнительных компонента: диод Шоттки D1 ​​и катушку индуктивности L1.Эти два компонента присутствуют почти во всех схемах импульсных регуляторов и значительно улучшают характеристики схемы. Давайте посмотрим, как диод и катушка индуктивности улучшают работу схемы регулятора.

Когда переключатель S1 замкнут, индуктор L1 противодействует нарастающему току, создавая противоположное электромагнитное поле, и это заставляет диод D1 смещаться в обратном направлении, и он ведет себя как разомкнутый переключатель. Когда переключатель S1 разомкнут, электромагнитное поле, индуцированное в катушке индуктивности L1, разряжается, и это создает ток с обратной полярностью.Это делает диод D1 смещенным в прямом направлении, и он будет оставаться в проводящей стадии до тех пор, пока поле в катушке индуктивности не станет равным нулю. Проще говоря, это действие похоже на зарядку и разрядку выходного конденсатора. Таким образом, совместное действие катушки индуктивности и диода улучшает фильтрующую способность выходного конденсатора и, таким образом, повышает эффективность схемы.

uA78S40.

Вот две схемы импульсного стабилизатора напряжения, использующие микросхему uA78S40 от On Semiconductors.Первый – это понижающий преобразователь, а второй – инвертирующий преобразователь.

uA78S40 – это микросхема импульсного стабилизатора, которая может использоваться для множества приложений. UA78S40 является интегрированным регулятором переключения цепи, которая имеет встроенную схемотехнику для опорного напряжения с температурной компенсацией, генератором с контролем рабочим цикла, переключающий элементом с высокой пропускной способностью, независимым операционным усилителем и независимым диодом. При напряжениях более 40 В или выходных токах более 1.Требуются внешние переключающие транзисторы 5А. Характеристики uA78S40 включают широкий диапазон температур, регулируемое выходное напряжение (от 1,5 В до 40 В), пиковый выходной ток 1,5 А, регулирование нагрузки 80 дБ, линейное регулирование 80 дБ, широкий диапазон напряжения питания (от 2,5 В до 40 В), очень низкий уровень ожидания. ток и т. д. Применение этой ИС включает повышающие преобразователи, понижающие преобразователи, инвертирующие преобразователи и т. д. uA78S40 доступен в пластиковом корпусе DIP с 16 выводами.

Схема понижающего преобразователя.

Схема, показанная выше, представляет собой импульсный понижающий преобразователь с использованием uA78S40. Входное напряжение может составлять 25 В постоянного тока, а выходное напряжение – 5 В при 500 мА. Ct – это синхронизирующий конденсатор для внутреннего генератора, а C3 – это конденсатор входного фильтра. C3 должен иметь номинал выше 25 В, а C2 может иметь любой номинал выше 10 В. Мгновенное выходное напряжение (то есть напряжение на выходном конденсаторе Cc) возвращается на инвертирующий вход внутреннего операционного усилителя с помощью цепи резисторов, состоящей из R1 и R2.R2 и R1 можно использовать для настройки выходного напряжения. Использование внешнего выпрямительного диода D1 повышает общий КПД схемы. Если вам нужно использовать внутренний диод IC вместо D1, опустите D1 и восстановите дорожку, показанную пунктиром.

Инвертирующая схема преобразователя.

Инвертирующий преобразователь – это схема, которая меняет полярность заданного входного напряжения. Например, если на входе инвертирующего преобразователя подается 5 В постоянного тока, выходное напряжение будет -5 В постоянного тока.Схема инвертирующего преобразователя на 15 В с использованием uA78S40 показана выше. Ct (в схеме C1) – это синхронизирующий конденсатор для внутреннего генератора ИС, C3 – это конденсатор входного фильтра, а C2 – конденсатор выходного фильтра. И C2, и C3 должны быть рассчитаны минимум на 25 В. Резисторы R1 и R2 образуют цепь обратной связи, которая возвращает часть выходного напряжения на неинвертирующий вход внутреннего компаратора Ics. R2 и R1 можно использовать для установки выходного напряжения. Транзистор Q1 – это внешний переключающий транзистор.Коллекторные выводы внутреннего драйвера и переключающих транзисторов закорочены и подключены к базе внешнего переключающего транзистора через резистор R3.

Примечания.

• uA78S40 необходимо установить на держателе.
• Пиковый выходной ток uA78S40 составляет 1,5 А.
• 1N5822 – диод Шоттки на 3 А. Не заменяйте его обычным диодом с PN переходом.
• Vout = 1,25 (1+ (R2 / R1)) для понижающего преобразователя.
• Vout = (1.25R2) / (R1) для инвертирующего преобразователя.

Импульсный регулятор против линейного регулятора.

Управляющим элементом для линейного регулятора является активное устройство (либо BJT, либо FET), работающее внутри своей активной области. В линейном регуляторе разница между входным и выходным напряжениями рассеивается в виде тепла регулирующим элементом. Это снижает энергоэффективность. Для управляющего элемента требуется радиатор большего размера.

Для импульсного регулятора управляющий элемент, который представляет собой электронный переключатель (транзистор или тиристор), имеет только два состояния: ВКЛ (полностью проводящий) или ВЫКЛ (полностью открытый).Это означает, что переключающий элемент не тратит впустую мощность, и это приводит к повышению энергоэффективности. Хорошо спроектированный импульсный регулятор может иметь КПД до 85%. Для управляющего элемента требуется радиатор меньшего размера.

Еще несколько схем импульсного регулятора, которые могут вас заинтересовать.

10 В с использованием LM5007: LM5007 – это интегрированная ИС понижающего регулятора, которая очень эффективна и экономична. Эта схема выдает на выходе 10 В постоянного тока из диапазона входного напряжения от 12 до 72 В постоянного тока.

5 В с использованием LM2678: понижающий стабилизатор вырабатывает выходное напряжение ниже входного. Схема построена на микросхеме Natinal Semicondcutors LM2678. Диапазон входного напряжения составляет от 8 до 40 В, а выходного – 5 В постоянного тока.

с использованием LM1578 A: простая схема импульсного регулятора, разработанная с использованием ИС регулятора LM1578A от National Semiconductors. ИС очень гибкая и может работать в понижающем, повышающем или инвертирующем режимах.

Схема повышающего регулятора 12 В: Повышающий преобразователь – это схема, которая выдает выходное напряжение, превышающее входное.Эта схема преобразует 5 В постоянного тока в 12 В постоянного тока. LM2698 является сердцем этой схемы, которая представляет собой ИС повышающего преобразователя от National Semiconductors.

Fsect3.PDF

% PDF-1.6 % 3 0 obj > эндобдж 261 0 объект [/ CalGray>] эндобдж 262 0 объект [/ CalRGB>] эндобдж 263 0 объект > поток application / pdf

Импульсный регулятор »Электроника

Импульсный регулятор – ключевой элемент любого импульсного источника питания

Схемы источника питания SMPS Праймер и руководство Включает:
Импульсный источник питания Как работает SMPS Понижающий понижающий преобразователь Повышающий повышающий преобразователь Конвертер Buck Boost

См. Также: Обзор электроники блока питания Линейный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

В любом импульсном блоке питания регулирование напряжения обеспечивает импульсный регулятор или импульсный регулятор.Импульсный стабилизатор можно использовать отдельно или как часть полного источника питания.

бывают разных форм, но каждый из них может обеспечивать регулирование напряжения с помощью последовательного переключающего элемента, который заряжает накопительный конденсатор, когда напряжение падает ниже заданного уровня.

Основы импульсного регулятора

В основе импульсного регулятора лежит способность катушек индуктивности и конденсаторов накапливать энергию. Конденсаторы и катушки индуктивности являются неотъемлемыми элементами технологии импульсного регулятора.

• Емкость Если к конденсатору подается ток, конденсатор постепенно заряжается, и напряжение на нем линейно возрастает со скоростью, равной I / C, где – приложенный ток, а C – емкость. В этом случае напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно.

  Базовая концепция импульсного источника питания Когда происходит мгновенное изменение тока, напряжение изменяется линейно. [Предполагается, что используется источник тока с неограниченным напряжением].

• Индуктор: & nbsp: Для катушки индуктивности невозможно мгновенное изменение тока. Вместо этого при приложении напряжения ток нарастает линейно во времени со скоростью, равной V / L, где V – приложенное напряжение, а L – индуктивность.

  Формат индуктора для импульсного источника питания Используя стандартные уравнения, можно определить профили тока и напряжения:

  Энергия восходящего тока накапливается в магнитном поле, связанном с индуктором.Если ток, протекающий через катушку индуктивности, внезапно прерывается, магнитное поле реагирует на это и создает очень высокую «обратную ЭДС», чтобы противодействовать изменению.

Ознакомившись с фундаментальными или базовыми концепциями, лежащими в основе коммутируемых напряжений и токов в конденсаторах и катушках индуктивности, эти базовые концепции могут быть применены к решениям импульсных регуляторов, чтобы обеспечить различные сценарии для схем повышения и понижения напряжения.

Поскольку в технологии используются методы переключения, при которых последовательный элемент включен или выключен, этот подход обеспечивает гораздо лучший уровень эффективности, чем линейный, при котором рассеивается мощность.

Конденсаторное регулирование режима переключения

Основная концепция конденсаторного импульсного стабилизатора показана на схеме. Когда переключатель замкнут, ток может течь в накопительный конденсатор и обеспечивать заряд. Когда напряжение на конденсаторе достигает требуемого уровня, переключатель размыкается, и нагрузка потребляет ток от конденсатора.

По мере падения напряжения это будет обнаружено схемой управления, и последовательный переключатель снова включится, чтобы довести напряжение конденсатора до требуемого уровня.

Эта схема не так эффективна, как может показаться на первый взгляд. Хотя единственным резистивным элементом в теоретической схеме является нагрузка, это не единственный способ потери энергии, поскольку зарядка конденсатора непосредственно от источника напряжения или конденсатора рассеивает столько энергии, сколько передается конденсатору. В результате в регуляторах режима переключения нельзя использовать только методы переключения конденсаторов.

Индукторное переключение режимов

Также возможно использование индукторов в качестве элемента импульсных регуляторов.

Катушка индуктивности может использоваться для передачи энергии от одного источника напряжения к другому. Хотя простой резистор можно использовать в качестве капельницы для падения напряжения при переходе от одного источника напряжения с более высоким напряжением к источнику с более низким напряжением, это очень расточительно с точки зрения мощности. Если используется индуктор, вся энергия передается, если предположить, что индуктор идеален.

Использование индуктора имеет преимущества, заключающиеся в том, что энергия может передаваться от одного источника к другому независимо от соответствующих значений напряжения и их полярности.Очевидно, что для этого требуется правильная конфигурация.

Когда переключатели находятся в положениях, показанных выше, напряжение V1 прикладывается к катушке индуктивности, и ток i1 нарастает со скоростью, равной V1 / L. Следовательно, полученное пиковое значение будет пропорционально времени нахождения переключателей в этом положении, то есть (V1 / L) x t

Когда переключатели меняются местами, ток будет продолжать течь со скоростью i2, равной -V2 / L.

Поскольку идеальная катушка индуктивности не рассеивает энергию, в идеальной системе, использующей катушку индуктивности таким образом, потери мощности отсутствуют.В результате именно этот метод передачи энергии лежит в основе всех импульсных регуляторов.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

»Примечания по электронике

– краткое изложение или учебное пособие по схеме и работе понижающего или понижающего стабилизатора с использованием методов импульсного источника питания.

Схемы источника питания SMPS Праймер и руководство Включает:
Импульсный источник питания Как работает SMPS Понижающий понижающий преобразователь Повышающий повышающий преобразователь Конвертер Buck Boost

См. Также: Обзор электроники блока питания Линейный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

Поскольку мощность является ключевым параметром во многих конструкциях, широко используются понижающие или понижающие регуляторы.

Хотя резистор позволяет сбросить напряжение, теряется мощность, и в таких приложениях, как многие используемые сегодня устройства с батарейным питанием, потребление энергии является решающим элементом.

В результате широко используются понижающие преобразователи режима переключения или, как их чаще называют, понижающие стабилизаторы.

Линейный понижающий

Самая простая форма понижающего перехода – это использование резистора в качестве делителя потенциала или понижателя напряжения. В некоторых случаях стабилитрон также может использоваться для стабилизации напряжения.

Проблема с этой формой понижающего преобразователя напряжения или понижающего преобразователя заключается в том, что она очень расточительна с точки зрения мощности. Любое падение напряжения на резисторе будет рассеиваться в виде тепла, и любой ток, протекающий через стабилитрон, также будет рассеивать тепло. Оба эти элемента приводят к потере ценной энергии.

Базовый понижающий преобразователь или регулятор

Основная схема понижающего преобразователя или понижающего преобразователя состоит из катушки индуктивности, диода, конденсатора, переключателя и усилителя ошибки со схемой управления переключателем.

Схема понижающего регулятора работает, изменяя время, в течение которого индуктор получает энергию от источника.

На базовой блок-схеме можно увидеть работу понижающего преобразователя или понижающего стабилизатора, что выходное напряжение, возникающее на нагрузке, воспринимается усилителем считывания / ошибки и генерируется напряжение ошибки, которое управляет переключателем.

Обычно переключатель управляется широтно-импульсным модулятором, переключатель остается включенным дольше, поскольку нагрузка потребляет больше тока и напряжение имеет тенденцию падать, и часто используется генератор фиксированной частоты для управления переключением.

Операция понижающего преобразователя

Когда переключатель в понижающем стабилизаторе включен, напряжение, которое появляется на катушке индуктивности, равно Vin – Vout. Используя уравнения индуктивности, ток в катушке индуктивности будет расти со скоростью (Vin-Vout) / L. В это время диод D смещен в обратном направлении и не проводит.

Когда переключатель размыкается, ток все еще должен течь, так как индуктор работает, чтобы поддерживать тот же ток. В результате ток по-прежнему течет через индуктивность в нагрузку.Затем диод D образует обратный путь с текущим через него током Idiode, равным Iout.

При разомкнутом переключателе полярность напряжения на катушке индуктивности изменилась, и, следовательно, ток через катушку индуктивности уменьшается с наклоном, равным -Vout / L.

Понижающую схему понижающего преобразователя можно дополнительно пояснить, исследуя формы сигналов тока в разное время в течение всего цикла.

На диаграмме осциллограмм тока понижающего преобразователя / импульсного стабилизатора видно, что ток индуктора складывается из тока диода и входного / переключательного тока.Ток течет либо через переключатель, либо через диод.

Также стоит отметить, что средний входной ток меньше среднего выходного тока. Этого следовало ожидать, потому что схема понижающего преобразователя очень эффективна, а входное напряжение больше, чем выходное напряжение. Если предположить идеальную схему, то входная мощность будет равна выходной мощности, то есть Vin ⋅ In = Vout ⋅ Iout. Хотя в реальной схеме будут некоторые потери, для хорошо спроектированной схемы следует ожидать уровня КПД более 85%.

Также видно, что на выходе установлен сглаживающий конденсатор. Это гарантирует, что напряжение не будет заметно меняться, особенно во время переходного периода и переключения. Также потребуется сглаживать возникающие всплески переключения.

Регулятор входной и выходной фильтрации

Ключевым аспектом импульсных регуляторов питания является входная и выходная фильтрация. Это особая проблема из-за переключения, которое происходит на входе.

В действительности пульсация напряжения на выходе зависит не только от сглаживания выходного сигнала, но, что более важно, от конденсатора входного фильтра.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

LM2575 Простые импульсные регуляторы напряжения

by Lewis Loflin

Для любителей электроники работа с импульсными регуляторами напряжения может быть сложной задачей. Они могут быть сложными и обидчивыми. Здесь я рассмотрю простые импульсные стабилизаторы напряжения на базе 5-контактной серии LM25XX, выпускаемые рядом компаний. Они бывают как с фиксированным, так и с переменным напряжением. LM2575T рассчитан на 1 ампер, а LM2596T – на 3 ампера.

На рис. 1 показан фиксированный 5-вольтовый регулятор LM2575-5.Он состоит всего из 4 внешних компонентов с диапазоном входного напряжения до 60 вольт. Все это понижающие стабилизаторы напряжения.

Внутренний блок-схема состоит из генератора, 52KHz опорного напряжения 1.23V точности, усилителя ошибки, теплового отключения и ограничения тока. И фиксированная, и регулируемая версии одинаковы, за исключением двух внутренних и / или внешних резисторов.

C _в – это входной шунтирующий конденсатор с низким ESR, используемый для обхода всплесков и шумов, чтобы они не влияли на выход.L1 и C _из образуют как фильтр, так и схемы «резервуара» накопителя энергии, выходное напряжение которых определяется рабочим циклом выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией LM25XX. Обратная связь с выхода на контакт 4 регулирует рабочий цикл для поддержания фиксированного выходного напряжения.

D1 называется «улавливающим» диодом, который передает энергию от L1 во время отключения ШИМ на C _из . Этот диод должен быть быстродействующим диодом Шоттки. А выпрямительные диоды 1N4001 и т.п. не подойдут.Номинальный ток и напряжение D1 зависит от выходного напряжения и тока.

Для минимизации коммутационных шумов и скачков напряжения во всех импульсных источниках питания необходимы короткие выводы и толстая заземляющая пластина. Также помогает использование конденсаторов хорошего качества с низким ESR. Я обнаружил, что конденсаторы большего размера работают нормально.

Дополнительная функция: контакт 5 может использоваться микроконтроллером для включения или выключения устройства.Ov или цифровой LOW включает устройство и часто в противном случае заземляется. На рис. 2 показана базовая схема блокировки при пониженном напряжении.

См. Управление мощностью широтно-импульсной модуляции.

Все импульсные регуляторы имеют два основных режима работы: непрерывный и прерывистый. Разница между этими двумя типами связана с током индуктора, протекает ли он непрерывно или падает до нуля в течение определенного периода времени в нормальном цикле переключения.Каждый режим имеет совершенно разные рабочие характеристики, которые могут повлиять на характеристики и требования регулятора.

LM2575 (или любой из семейства Simple Switcher) может использоваться как для непрерывного, так и для прерывистого режима работы. При относительно больших токах нагрузки схема работает в непрерывном режиме (ток катушки индуктивности всегда течет), но в условиях небольшой нагрузки схема будет принудительно переведена в прерывистый режим (ток катушки индуктивности на некоторое время упадет до нуля).Такой прерывистый режим работы вполне приемлем. Для легких нагрузок (менее примерно 200 мА) может быть желательно использовать регулятор в прерывистом режиме, в первую очередь из-за более низких значений индуктивности, необходимых для прерывистого режима.

Когда следует использовать импульсный регулятор?

Если входное напряжение составляет 5 В или 3,3 В при менее 400 мА, я бы использовал непереключаемый стабилизатор LM7805 или аналогичного серийного типа.Но переход с 24 В на вольт означает, что 75% или более энергии будет потрачено впустую в виде тепла, требующего больших радиаторов и т. Д., Это вопрос стоимости или эффективности. Я измерил КПД 82% при переходе от 17 В до 5 В с моей схемой LM2575-ADJ (рис. 4), которая позволяет мне выбирать любое напряжение в пределах разумного. Использование конденсаторов большего размера совсем не повредит.

Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены.
Если вы используете этот материал на другом сайте, пожалуйста, дайте обратную ссылку на мой сайт.

Что такое импульсный блок питания против линейного, как он работает?

Когда нам нужен высокоэффективный блок питания небольшого размера. Многие выбирают импульсный блок питания. Раньше мне нравились линейные блоки питания. Но иногда я должен пробовать другие способы.

В этом посте мы узнаем, что такое импульсный источник питания по сравнению с линейным, как это работает?

Тебе, может быть, он нравится так же, как и мне. После прочтения этой статьи.

Какие бывают типы блоков питания

Блок питания является источником энергии для различных цепей.Он преобразует сеть переменного тока в напряжение постоянного тока. Это фиксированное или переменное напряжение, применяемое в процессе работы.

Существует 2 основных типа источников питания:

• Обычно используется линейный источник питания.
  Это простые схемы не сложные. Но они большие и низкий КПД всего около 50% и более. При их работе наблюдаются потери в виде сильного нагрева.

• Импульсный блок питания В настоящее время
  Многие работники выбирают этот тип блока питания.Потому что маленький Высокий КПД составляет около 85% и более. Представьте, что мы вводим 100% электроэнергии. Его можно преобразовать в 85% энергии. И 15% теряется в виде тепла.

Но схема коммутации питания довольно сложная. Раньше я старался избегать этого, потому что не был уверен, смогу ли я легко это объяснить.

Готовы начать?

Для начала рассмотрим блок-схему импульсного источника питания. Хотя конструкция выглядит сложной.Но если схему можно разделить на части, это будет проще для понимания.

Изюминкой этой схемы является работа с высокой частотой. Поэтому имеет трансформатор меньшего размера. Есть коммутационная система с высокими частотами.

Входная и выходная цепи включают выпрямитель и схему фильтра. и детектор напряжения ошибки для контроля стабильного напряжения.

Конечно, сейчас можно не понять. Но когда вы прочтете следующий раздел, друзья поймут больше.

Что еще?

В импульсном блоке питания есть 4 типа выпрямительных цепей.

Meet Выпрямитель переменного тока в постоянный, простой, но очень полезный.

Импульсный блок питания будет иметь выпрямительную схему как на входе, так и на выходе. По большей части это схема мостового выпрямителя.

Части преобразователя переменного тока в постоянный – выпрямитель. В линейной схеме эта схема важна. В схеме импульсного питания также важна выпрямительная схема.

Важным устройством является диод, который представляет собой полупроводниковое устройство, позволяющее току течь только в одном направлении.Затем через фильтр будет протекать постоянное напряжение, сглаживая ток.

Рекомендуется: Как работает схема выпрямителя

В импульсном блоке питания имеется 4 типа схем выпрямителя:

1 #

Обычно мы сначала находим схему выпрямителя. Входная сторона импульсного источника питания, как показано на принципиальной схеме ниже.

Входное напряжение переменного тока 220 В RMS или 311 В пик выпрямляется до импульсного напряжения постоянного тока 160 В пик.Затем речь идет о принципиальной схеме радиочастотного переключателя.

2 #

В импульсном источнике питания входной сигнал постоянного тока будет переключаться на высокочастотный радиочастотный сигнал. Затем понижающий трансформатор преобразует его в переменный ток низкого напряжения. Затем он также поступает на полуволновой выпрямитель в импульс постоянного тока.

Он разработан на основе однополупериодного выпрямителя. Мы часто будем видеть такой выпрямитель.И обратите внимание, что он использует центральный отвод вторичного трансформатора. Это ссылка на землю.

Этой схеме не нужен центральный трансформатор отвода, но нам нужно использовать еще 2 диода.

Выбор диодов для схемы выпрямителя

Есть 2 важных фактора:

Пиковое обратное напряжение – PIV

Это максимальное напряжение, которое выдерживает диод.Пока он получает обратный уклон. Или когда диод выключен.

Значение PIV используемого диода должно выдерживать как минимум 2-кратное рабочее напряжение. И при расчете безопасность тоже нужно увеличить на 50%.

При входном переменном напряжении 220 В среднеквадратичное пиковое напряжение составляет 1,414 x В среднеквадратического значения = 311 В пик.

Мы должны выбрать диод со значением:

Piv = (311Vpkx2) + (311Vpkx0,5)
= 777,5Vpiv

Это ток, который диод пропускает через себя. при получении форвард без повреждений.И что еще более важно, не забудьте добавить значение безопасности на 50%.

Например, входной выпрямитель с током 1А. Мы должны выбрать диод с током пересылки:
IF = 1+ (1 × 0,5) = 1,5A

Насколько важен фильтр

Напряжение с выпрямителя постоянное. Но мы не можем его использовать. Нам нужно сгладить его конденсатором фильтра. Его необходимо использовать как для линейного, так и для импульсного источника питания.

Конденсатор – это устройство, используемое для хранения энергии. Он заряжает энергию внутри него до тех пор, пока не достигнет максимального значения импульсного напряжения.И отпустит при загрузке.

На изображении показан эффект фильтрации конденсатора в ритме зарядки и разрядки. При подключении к нагрузке. Пульсация напряжения на конденсаторе называется пульсацией.

• Имеется высокая пульсация. Если ток нагрузки высокий
• Напротив, пульсации низкие. Если это низкий ток нагрузки.

А если посмотреть на блок-схему работы.В цепи фильтра на переменное напряжение 50-60 Гц. Мы будем использовать конденсатор довольно большого размера.

Обычно в диапазоне от 1000 до 2000 мкФ. Это зависит от тока нагрузки.

Читать далее: Как спроектировать нерегулируемый источник питания

Увеличение его значения (параллельно) уменьшает время разрядки между импульсами, что приводит к меньшим значениям пульсаций напряжения

Норма рабочего напряжения
Важно отметить, что нам необходимо использовать номинальное рабочее напряжение конденсатора, более высокое напряжение при рабочем токе составляет примерно 50%

Высокочастотный трансформатор

Трансформатор – это устройство, которое используется для преобразования высокого напряжения на первичной обмотке в низкое напряжение на вторичной обмотке, как показано на рисунке ниже.

Это форма соединения трансформатора между входом и выходом. Мы используем его Импульсный источник питания для переключения на высоких частотах 20 кГц и более.

Обычно широко используемые трансформаторы 50 Гц не могут использоваться на высоких частотах.

Хотя размер и форма переключающих трансформаторов отличаются от трансформаторов 50 Гц. Но в работе по-прежнему используются те же основные принципы связи магнитного поля.

Это высокое напряжение, подключенное к первичной катушке. И он будет накапливать энергию и создавать магнитные поля, попеременно включающиеся и выключенные.

Какой сердечник трансформатора действует как магнитное поле, наведенное на вторичную обмотку в виде соединительного трансформатора.

Что такое импульсный ВЧ-регулятор

Основой импульсного источника питания является ВЧ-регулятор. Также известен как импульсный регулятор.

Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией

Хотя существует множество различных схем переключения.Но обычно используется ШИМ-широтно-импульсная модуляция.

Это базовая блок-схема импульсного регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Он поддерживает уровень напряжения с замкнутым контуром.

Для получения постоянного выходного напряжения. Эта схема обнаружит ошибку напряжения. Этот сигнал ошибки используется для управления шириной импульса схемы переключения. Это изменение ширины импульса в цепи генератора в регуляторе.

Ширина импульсов, изменяемых генератором, отправляется для управления транзистором, действующим как переключатель.В котором изменение ширины импульса вызывает соответствующее изменение среднего выходного напряжения.

Высокочастотные трансформаторы понижают напряжение в сигнал переменного тока, затем он выпрямляется и снова фильтруется.

Для конечного выхода постоянного напряжения. Результат снова будет рандомизирован. И отрегулирует последующий сигнал ошибки. До получения постоянного напряжения по мере необходимости.

Это означает, что схема будет работать в замкнутом контуре. Выходное напряжение постоянно контролируется до нормальной работы.

Теперь мы можем узнать основной принцип работы импульсного регулятора. Как это работает? Так, что дальше? Возможно, нам пора применить его.

Читайте также: Схема импульсного источника питания постоянного тока 0-45 В, 8 А

Гибридный импульсный регулятор Принцип работы

Не всегда необходимо использовать высокочастотный трансформатор для разработки импульсного источника питания.

Обычно трансформатор используется для изменения напряжения импульса с высокого напряжения на более низкое.

Если входное напряжение постоянного тока близко к фактическому рабочему напряжению. Высокочастотный трансформатор не нужен.

Мы можем использовать понижающий трансформатор напряжения 50 Гц, чтобы снизить напряжение до более низкого значения. Перед подачей его на вход выпрямительной схемы.

Посмотрите на схему гибридного импульсного регулятора, вход схемы имеет характеристики, аналогичные характеристикам линейного источника питания. Но это повышает производительность.

Гибридный импульсный стабилизатор 5 В, 500 мА

Посмотрите на реальные примеры использования гибридного импульсного регулятора 5 В, 500 мА.В схеме используется LM341 NS. Как правило, это трехконтактный стабилизатор положительного напряжения.

Не люблю читать текст. Но мне нравится изучать его работу по принципиальным и структурным схемам. Ты такой же, как я? Давайте посмотрим на схему. Мы еще разберемся.

Но это служит генератору. Частота генератора в цепи определяется соотношением сопротивлений R2 и R3.

Выходное напряжение возвращается через индуктивность L1. Транзистор Q1 служит реальным переключающим устройством в схеме.

Также ознакомьтесь с этими связанными статьями:

Изучите обратный импульсный регулятор работает

Если вам нужен импульсный регулятор, который использует несколько компонентов. А вашей нагрузке требуется мощность менее 100 Вт.

Посмотрите на приведенную ниже блок-схему.

Это схема импульсного источника питания с обратным ходом.

В этой схеме очень важен высокочастотный трансформатор. Потому что он имеет 3 основные функции:

• Понижать напряжение.
• Разделите входную и выходную цепи.
• Ограничьте также сетевой ток переменного тока.

В котором первичная и вторичная обмотки намотаны в противоположных направлениях.

При наличии импульсного управляющего сигнала смещения транзистор работает. Ток будет проходить через высокочастотный трансформатор. Но выходной выпрямитель не проводит ток.

Напротив, когда транзистор выключен. Первичное напряжение меняется на противоположное. И этот результат вызывает обратный ток, протекающий через выход выпрямителя и выход фильтра.Мы можем контролировать ширину импульса через трансформатор. Для поддержания постоянного выходного напряжения.

Обратный импульсный источник питания имеет ограниченную номинальную мощность 100 Вт. Из-за тока трансформатора. И ограничение на пиковое значение тока переключения транзистора.

Для приложений мощностью более 100 Вт. Мы будем использовать другие схемы импульсного регулятора. Это будет объяснено в следующей схеме.

Отобранные вручную связанные схемы, которые вы можете прочитать:

Схема прямого импульсного регулятора мощностью от 80 до 200 Вт

Посмотрите на прямой импульсный регулятор на блок-схеме ниже.Это высокая мощность от 80 Вт до 200 Вт. Мы можем улучшить пульсацию, чтобы уменьшить ее. Потому что мы используем схему мостового выпрямителя. У которого пульсация ниже, чем у однополупериодного выпрямителя импульсного регулятора обратного хода.

Кроме того, мы можем еще больше уменьшить пульсации, подключив дроссель дросселя последовательно с конденсаторным фильтром.

Когда транзистор работает (ВКЛ). Выход схемы будет проводить ток и иметь напряжение на себе.

А при остановке транзистора (ВЫКЛ).Ток перестанет течь в выходном выпрямителе. Напряжение на дросселе изменит полярность. И поставляет в нагрузку. Вот почему он снижает пульсацию.

Имеется небольшое отличие в цепи импульсного управления регулятора прямого включения.

На практике необходимо изменить синхронизацию импульсов выхода, чтобы она соответствовала разным размерам выхода. Для наилучшего результата.

Вот несколько связанных сообщений, которые вы, возможно, захотите прочитать:

Двухтактный импульсный источник питания

Если вам нужна мощность более 200 Вт.Эта схема рассчитана на мощность до 600 Вт.

Посмотрите на блок-схему. Он состоит из 2-х регуляторов с широтно-импульсной модуляцией, работающих вместе, чтобы управлять переключающим транзистором с каждой стороны.

Этот тип подключения цепи позволяет пропускать больший ток.

Пульсации в двухтактной схеме переключения можно уменьшить. Обеспечивая балансировку схемы для каждой широкой импульсной модуляции.

Обычно в двухтактных коммутационных схемах пульсация наименьшая.По сравнению с другими схемами импульсного питания.

И выпрямители, и схемы фильтрации импульсов импульсной модуляции одинаковы. С точкой получить ошибку напряжения на выходе такая же точка.

Заключение

Импульсный источник питания имеет недостаток – сигнал РЧ-шума. Что он может распространяться и мешать другим цепям. Если не хорошо экранирован.

Значения стабилизации и пульсации аналогичны линейным цепям.

Таким образом, импульсный источник питания подходит для приложений, требующих небольшого размера, высокой эффективности и низкого тепловыделения.

Кроме того, вот пара связанных сообщений, которые вы тоже должны прочитать:

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .