Схема преобразователя: Как работает преобразователь напряжения? Виды, мощность, схемы

Как работает преобразователь напряжения? Виды, мощность, схемы

В этой статье рассматриваются электросхемы преобразователей напряжения, назначение и принцип работы оборудования. Также здесь объясняется, какие бывают устройства, даются рекомендации по их выбору, указываются ключевые характеристики.

Принцип работы преобразователей напряжения

Преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования входного напряжения. Они могут повышать или понижать его, преобразовывать постоянный электроток в переменный и наоборот. Соответственно, принцип функционирования оборудования зависит от его типа. Существуют следующие основные разновидности устройств.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители)

AC/DC‑преобразователи применяются для преобразования переменного напряжения (например, стандартного напряжения бытовых или промышленных электросетей 220/380 В) в стабилизированное постоянное напряжение. Устройства широко применяются в промышленной автоматизации, изготовлении источников питания, телекоммуникациях, на транспорте, в гальванике, энергосиловых установках, сварочных аппаратах. В зависимости от используемых силовых ключей, выпрямители бывают:

1. Тиристорными. Они состоят, как правило, из таких основных компонентов:

• трансформатор. Необходим для понижения/повышения напряжения, а также гальванической развязки выпрямителя от электросети;
• тиристорный мост (вентильная группа). Предназначен для преобразования переменного электротока в постоянный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний напряжения на входе;
• блок управления вентильной группой;
• емкостной, индуктивный или комбинированный фильтр (LC-фильтр). Предназначен для сглаживания пульсаций выходных параметров.

2. Транзисторными. В состав таких выпрямителей входят следующие элементы:

• входной LC-фильтр. Необходим для защиты питающей сети от помех, создаваемых выпрямителем;
• диодный мост;
• ВЧ-преобразователь. Предназначен для преобразования постоянного тока в высокочастотный импульсный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний входного напряжения;
• ВЧ-трансформатор. Предназначен для понижения/повышения напряжения импульсного тока;
• диодный или транзисторный выпрямительный мост. Предназначен для преобразования высокочастотного импульсного тока в постоянный;
• блок управления;
• выходной LC-фильтр.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

Важнейшие характеристики инвертора:

• частота преобразователя напряжения и форма напряжения. Желательно приобрести аппарат, который выдает чистый синусоидальный сигнал. К такому преобразователю можно подключать даже высокочувствительное оборудование;
• номинальная мощность. Она должна быть выше, чем суммарная нагрузка всех подключенных потребителей;
• максимальная пиковая мощность. Это значение определяет, какую наибольшую нагрузку выдержит устройство при подключении техники с малым значением коэффициента cos ф. К такому оборудованию относятся электродвигатели, насосы, компрессоры;
• значение входного/выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы выполнить расчет необходимой мощности DC/AC преобразователя, необходимо:

1. Сложить мощность, потребляемую подключаемым оборудованием. Ее берут из паспортных данных на технику. Например, холодильник — 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, пылесос — 1000 Вт. Итого в сумме: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
2. Учесть пиковую нагрузку. Для этого полученную сумму умножаем на коэффициент 1,3 (для рассматриваемого примера: 2700*1,3 = 3510 Вт).
3. Учесть коэффициент cos ф для получения результата в вольт-амперах. Его значение для разного оборудования варьируется в пределах 0,60…0,99. Для расчета лучше принять минимальную величину. 3510/0,6 = 5850 ВА ≈ 6 кВА. Именно на это значение следует ориентироваться при выборе инвертора.

Заключение

В статье были рассмотрены основные разновидности преобразователей напряжения, особенности их работы и сферы применения. Также были приведены типовые электросхемы преобразователей напряжения и описаны критерии выбора DC/AC инверторов.

Как работают импульсные преобразователи напряжения (27 схем)

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют

импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие (рис. 1), повышающие (рис. 2) и инвертирующие (рис. 3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов:

1. источник питания,
2. ключевой коммутирующий элемент,
3. индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель),
4. блокировочный диод,
5. конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии.

Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки RH и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

 

 

Рис. 1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

 

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 2) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь так: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1.

Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака (инверсное, противоположное по знаку напряжению питания).

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

Для стабилизации выходного напряжения импульсных стабилизаторов любого типа могут быть использованы обычные «линейные» стабилизаторы, но они имеют низкий КПД, В этой связи гораздо логичнее для стабилизации выходного напряжения импульсных преобразователей использовать импульсные же стабилизаторы напряжения, тем более, что осуществить такую стабилизацию совсем несложно.

Импульсные стабилизаторы напряжения, в свою очередь, подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и на стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией. В первых из них изменяется длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования. Во вторых, напротив, изменяется частота управляющих импульсов при их неизменной длительности. Встречаются импульсные стабилизаторы и со смешанным регулированием.

Ниже будут рассмотрены радиолюбительские примеры эволюционного развития импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения.

Узлы и схемы импульсных преобразователей

Задающий генератор (рис. 4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 5, 6) на микросхеме КР1006ВИ1 работает на частоте 65 кГц. Выходные прямоугольные импульсы генератора через RC-цепоч-ки подаются на транзисторные ключевые элементы, включенные параллельно.

Катушка индуктивности L1 выполнена на ферритовом кольце с внешним диаметром 10 мм и магнитной проницаемостью 2000. Ее индуктивность равна 0,6 мГн. Коэффициент полезного действия преобразователя достигает 82%.

 

 

Рис. 4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения.

 

 

Рис. 5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В.

 

 

Рис. 6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В.

Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 5, 6) составляет 140 мА.

В выпрямителе преобразователя (рис. 5, 6) использовано параллельное соединение слаботочных высокочастотных диодов, включенных последовательно с выравнивающими резисторами R1 — R3.

Вся эта сборка может быть заменена одним современным диодом, рассчитанным на ток более 200 мА при частоте до 100 кГц и обратном напряжении не менее 30 В (например, КД204, КД226).

В качестве VT1 и VT2 возможно использование транзисторов типа КТ81х структуры п-р-п — КТ815, КТ817 (рис. 4.5) и р-п-р — КТ814, КТ816 (рис. 6) и другие.

Для повышения надежности работы преобразователя рекомендуется включить параллельно переходу эмиттер — коллектор транзистора диод типа КД204, КД226 таким образом, чтобы для постоянного тока он был закрыт.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

 

 

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

 

 

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА, Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Преобразователь напряжения на основе КР1006ВИ1

Преобразователь напряжения, выполненный на основе генератора импульсов на микросхеме DA1 КР1006ВИ1, усилителя на основе полевого транзистора VT1 и индуктивного накопителя энергии с выпрямителем и фильтром, показан на рис. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 В. Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

 

 

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

 

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 11) использует новое сочетание основных компонентов и включает в себя генератор четырехфазных импульсов, катушку индуктивности и два транзисторных ключа.

Управляющие импульсы формирует D-триггер (DD1.1). В течение первой фазы импульсов катушка индуктивности L1 запасается энергией через транзисторные ключи VT1 и VT2. В течение второй фазы ключ VT2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения.

Во время третьей фазы замыкаются оба ключа, в результате чего катушка индуктивности вновь накапливает энергию. При размыкании ключа VT1 во время заключительной фазы импульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания. При поступлении на вход импульсов с частотой 8 кГц схема обеспечивает выходные напряжения ±12 В. На временной диаграмме (рис. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения со стабильными 30В

Преобразователь напряжения (рис. 12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

 

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения с выходным стабилизированным напряжением 30 В.

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 по обычной схеме собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой около 40 кГц.

К выходу генератора подключен транзисторный ключ VT1, коммутирующий катушку индуктивности L1. Амплитуда импульсов при коммутации катушки зависит от качества ее изготовления.

Во всяком случае напряжение на ней достигает десятков вольт. Выходное напряжение выпрямляется диодом VD1. К выходу выпрямителя подключен П-образный RC-фильтр и стабилитрон VD2. Напряжение на выходе стабилизатора целиком определяется типом используемого стабилитрона. В качестве «высоковольтного» стабилитрона можно использовать цепочку стабилитронов, имеющих более низкое напряжение стабилизации.

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 13.

 

 

Рис. 13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией.

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

Аналоги транзисторов: ВС237В — КТ342А, КТ3102; ВС307В — КТ3107И, BF459—КТ940А.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения [4.1] показаны на рис. 14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА, второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А  2N4903 — КТ814.

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту потоку нагрузки, показан на рис. 15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА.

Рис. 15. Схема понижающего преобразователя напряжения.

При изменении сопротивления нагрузки на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%.

Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Двухполярный инвертор напряжения

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих операционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 16.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямляется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра СЗ и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения — регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

 

Рис. 16. Схема инвертора напряжения +15/-15 В.

Рабочая частота генерации — около 200 кГц под нагрузкой и до 500 кГц без нагрузки. Максимальный ток нагрузки — до 50 мА, КПД устройства — 80%.

Недостатком конструкции является относительно высокий уровень электромагнитных помех, впрочем, характерный и для других подобных схем.

В качестве L1 использован дроссель ДМ-0,2-200.

Инверторы на специализированных микросхемах

Наиболее удобно собирать высокоэффективные современные преобразователи напряжения, используя специально созданные для этих целей микросхемы.

Микросхема КР1156ЕУ5 (МС33063А, МС34063А фирмы Motorola) предназначена для работы в стабилизированных повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователях мощностью в несколько ватт.

На рис. 17 приведена схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, С4, накопительный дроссель L1, выпрямительный диод VD1, конденсатор С2, задающий частоту работы преобразователя, дроссель фильтра L2 для сглаживания пульсаций. Резистор R1 служит датчиком тока. Делитель напряжения R2, R3 определяет величину выходного напряжения.

Рис. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 170 мкГн намотан на трех склеенных кольцах К12x8x3 М4000НМ проводом ПЭШО 0,5. Обмотка состоит из 59 витков. Каждое кольцо перед намоткой следует разломить на две части.

В один из зазоров вводят общую прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм и склеивают пакет. Можно также применить кольца из феррита с магнитной проницаемостью свыше 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

Рис. 18. Схема понижающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

 

 

Рис. 4.19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 4.19) показана типовая схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5, Микросхема DA1 питается суммой входного и выходного напряжений, которая не должна превышать 40 В.

Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=5 S; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 100 и 40 мВ.

Для дросселя L1 инвертирующего преобразователя индуктивностью 88 мкГн были использованы два кольца К12x8x3 М4000НМ с зазором 0,25 мм. Обмотка состоит из 35 витков провода ПЭВ-2 0,7. Дроссель L2 во всех преобразователях стандартный — ДМ-2,4 индуктивностью 3 мкГч. Диод VD1 во всех схемах (рис. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5…5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 20. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ743.

По внутренней структуре микросхема не отличается от типового построения подобного рода преобразователей, выполненных на дискретных элементах, однако интегральное исполнение позволяет при минимальном количестве внешних элементов создавать высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 20) частота преобразования может достигать 200 кГц (что намного превышает частоту преобразования подавляющего большинства преобразователей, выполненных на дискретных элементах). При напряжении питания 5 В КПД составляет 80…82% при нестабильности выходного напряжения не более 3%.

Микросхема снабжена защитой от аварийных ситуаций: при снижении питающего напряжения на 10% ниже нормы, а также при перегреве корпуса (выше 195°С).

Для снижения на выходе преобразователя пульсаций с частотой преобразования (200 кГц) на выходах устройства установлены П-образные LC-фильтры. Перемычка J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 6) в стабилизированное 3,3 или 5,0 В предназначена специальная микросхема, разработанная фирмой MAXIM, — МАХ765. Отечественные аналоги — КР1446ПН1А и КР1446ПН1Б. Микросхема близкого назначения — МАХ757 — позволяет получить на выходе плавно регулируемое напряжение в пределах 2,7…5,5 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 21, содержит незначительное количество внешних (навесных) деталей.

Работает это устройство по традиционному принципу, описанному ранее. Рабочая частота генератора зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и изменяется в широких пределах — от десятков Гц до 100 кГц.

Величина выходного напряжения определяется тем, куда подключен вывод 2 микросхемы DA1: если он соединен с общей шиной (см. рис. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно. Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА. Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В. КПД преобразователя — до 80%.

Назначение вывода 1 (SHDN) — временное отключение преобразователя путем замыкания этого вывода на общий провод. Напряжение на выходе в этом случае понизится до значения, несколько меньшего, чем входное напряжение.

Светодиод HL1 предназначен для индикации аварийного снижения питающего напряжения (ниже 2 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 и ниже).

Дроссель L1 выполняют на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1. Он содержит 28 витков провода ПЭШО 0,5 мм и имеет индуктивность 22 мкГч. Перед намоткой ферритовое кольцо разламывают пополам, предварительно надпилив алмазным надфилем. Затем кольцо склеивают эпоксидным клеем, установив в один из образовавшихся зазоров текстолитовую прокладку толщиной 0,5 мм.

Индуктивность полученного таким образом дросселя зависит в большей степени от толщины зазора и в меньшей — от магнитной проницаемости сердечника и числа витков катушки. Если смириться с увеличением уровня электромагнитных помех, то можно использовать дроссель типа ДМ-2,4 индуктивностью 20 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

Источник питания для питания портативных и карманных приемников

Бестрансформаторный источник питания (рис. 23) предназначен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 В. Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9В и токе нагрузки 50 мА источник питания потребляет от сети около 8 мА.

Рис. 23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 — VD4 (рис. 4.23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время заряда конденсатора С2 определяется постоянной цепи R1, С2. В первый момент после включения устройства тиристор VS1 закрыт, но при некотором напряжении на конденсаторе С2 он откроется и подключит к этому конденсатору цепь L1, СЗ.

При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор СЗ большой емкости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на СЗ — увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и СЗ не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора СЗ через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора СЗ через нагрузку. Стабилитрон VD6 ограничивает напряжение на нагрузке.

Как только закрывается тиристор VS1 напряжение на конденсаторе С2 снова начинает увеличиваться. В некоторый момент тиристор снова открывается, и начинается новый цикл работы устройства. Частота открывания тиристора в несколько раз превышает частоту пульсации напряжения на конденсаторе С1 и зависит от номиналов элементов цепи R1, С2 и параметров тиристора VS1.

Конденсаторы С1 и С2 — типа МБМ на напряжение не ниже 250 В. Дроссель L1 имеет индуктивность 1…2 мГн и сопротивление не более 0,5 Ом. Он намотан на цилиндрическом каркасе диаметром 7 мм.

Ширина обмотки 10 мм, она состоит из пяти слоев провода ПЭВ-2 0,25 мм, намотанного плотно, виток к витку. В отверстие каркаса вставлен подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Схемы устройств для преобразования энергии

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 4.24 и 4.25. Они представляют собой понижающие преобразователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизировано.

Рис. 24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

 

Рис. 25. Вариант схемы понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

В качестве динисторов VD4 можно использовать отечественные низковольтные аналоги — КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 23), источники питания (рис. 24 и 25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

 

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 47 мкФ. В качестве источника питания используется батарея напряжением 9 В. Выходное напряжение на сопротивлении нагрузки 1 кОм достигает 50 В. КПД составляет 80% и возрастает до 95% при использовании в качестве ключевых элементов К1 и К2 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Импульсно-резонансный преобразователь

Импульсно-резонансные преобразователи конструкции к,т.н. Н. М. Музыченко, один из которых показан на рис. 4,27, в зависимости от формы тока в ключе VT1 делятся на три разновидности, в которых коммутирующие элементы замыкаются при нулевом токе, а размыкаются — при нулевом напряжении. На этапе переключения преобразователи работают как резонансные, а остальную, большую, часть периода — как импульсные.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

Отличительной чертой таких преобразователей является то, что их силовая часть выполнена в виде индуктивно-емкостного моста с коммутатором в одной диагонали и с коммутатором и источником питания в другом. Такие схемы (рис. 27) отличаются высокой эффективностью.

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

Схема простого самодельного инвертора (преобразователя) напряжения 12В

В настоящее время интернет пестрит всевозможными схемами инверторов 12-220 Вольт, которые построены на микросхемах серии TL и полевых транзисторах и нет ни одной схемы максимально простой, на отечественной элементной базе. Я решил заполнить этот пробел.

Предлагаю для повторения очень простую и надежную схему инвертора (преобразователя) напряжения из 12В в 220 Вольт, для энергосберегающей лампы. Схема до безобразия проста и вместе с тем очень надежна, запускается без каких либо проблем сразу, содержит всего два транзистора и три детальки в обвязке – проще не бывает.

Рис. 1. Принципиальная схема простого инвертора напряжения 12В – 220В на двух транзисторах.

В качестве трансформатора использовал ферритовые чашки с такимим размерами: диаметр – 35 мм, высота – 20мм. Намотка данного трансформатора не имеет никаких особенностей. Фото феррита, катушки и собранного трансформатора для инвертора напряжения прикладываю ниже.

Рис. 2. Ферритовые чашки для изготовления трансформатора к инвертору напряжения.

Сперва мотается первичная обмотка, она содержит 14 витков провода диаметром 0,5 мм, после намотки ее нужно обернуть изолентой в один слой. Вторичная обмотка трансформатора мотается проводом диаметром 0.2мм и содержит 220 витков, поверх ее также обматываем изолентой в один слой. Все, трансформатор готов, осталось только собрать половинки и посадить на болтик.

Рис. 3. Каркас трансформатора с намотанными катушками индуктивности.

Рис. 4. Готовый трансформатор для схемы простого инвертора напряжения 12В – 220В.

Методом проб и ошибок подобрал для схемы транзисторы, ориентируясь на минимальный ток потребления схемы. Получилась пара КТ814 и КТ940, затем были подобраны сопротивления и емкость. В результате моих опытов получилась вот такая схема с указанными номиналами, она приведена выше.

Данная конструкция простого инвертора напряжения отлично подходит для питания энергосберегающей лампы мощностью в 8,9,11 Ватт. Лампы мощностью в 20 ватт не хотят работать, скорее всего вторичка слабовата – переделывать я не стал. Лампа мощностью в 9 ватт светит так же ярко как и при питании напрямую от сети переменного тока 220В. Потребляемый ток схемы преобразователя напряжения колеблется в пределах 0.5 – 0.54 Ампера.

Рис. 5. Внешний вид готового устройства в сборе.

Рис. 6. Размеры конструкции в сравнении.

Если использовать вместо транзистора КТ940 транзистор КТ817 и аналогичные то ток, потребляемый схемой инвертора напряжения и лампой, возрастает до величины 0,86 Ампера. Данная конструкция простого инвертора напряжения доступна к изготовлению всем радиолюбителям и начинающим. Преимущества данной конструкции очевидны: простота изготовления и надежность в работе.

Нужно отметить что очень много радиолюбителей проживает в сельской местности и не имеют возможности приобрести импортные детали, к тому же хоть и недорого но стоят денег те же полевые транзисторы, которые при ошибке тут же могут сгореть или выйти из строя, не говоря уже о микросхемах.

Рис. 7. Подключение инвертора напряжения к батарее и энергосберегающей лампе.

Рис. 8. Самодельный инвертор напряжения в работе – ярко горит энергосберегающая лампа.

А чаще всего у сельского радиолюбителя запасы радиодеталей ограничены старым советским телевизором. Вот так и появился простой инвертор напряжения, собранный из деталей, полученых из советского хлама. Имея в распоряжении аккумулятор емкостью в 7 Ампер-Часов нетрудно подсчитать на сколько времени его хватит – проверял лично.

От гелевого китайского аккумулятора эмкостью в 7 Ампер-Часов лампа горит на полной яркости в течении 6 часов, и горит практически до полного разряда аккумуляторной батареи (падение напряжения до 5.5 вольт). Схема надежно запускается и при питании от 9 Вольт. Применение в быту данной конструкции каждый найдет сам для себя.

Автор статьи и конструкции: Сэм ( dimka.kyznecov[собачка]rambler.ru ).

Схема преобразователя | Микросхема – радиолюбительские схемы

Когда необходим импульсный преобразователь

Предлагаю вам для начала представить такой случай из радиолюбительской практики. Вы захотели собрать усилитель своими руками. Для упрощения отбросим их деление на типы и классы. Будем руководствоваться одним, для многих, основным параметром усилителя звуковой частоты – его выходная мощность. Вы решили не размениваться по мелочам и собрать для себя усилок на 500 ватт. Всё. Цель установлена. Перед вами стоит задача найти подходящую схему. Что дальше? Правильно. Шарим на популярных радиолюбительских сайтах, не забывая, конечно, про mikrocxema.ru, в поисках заветной схемы усилителя звуковой частоты.

Допустим, из кучи предложений нашли две наиболее удовлетворяющих потребности. К примеру, схема номер раз – транзисторный биполярный усилитель мощности и схема номер два – транзисторный полевой усилитель мощности. Теперь из них нужно выбрать одну, на базе которой вы будете паять желанный, радующий ухо мощным звуком девайс. Руководствуясь субъективными оценочными критериями, выбираете, допустим, первый вариант. Ага. Спаять схему – полбеды, и здесь особых трудностей возникнуть не должно. Но вот перед вами вырисовывается огромная, типичная в подобной ситуации проблема. Думаете какая? Правильно. А чем же я его буду питать? Точнее – от чего! Это, пожалуй, одна из главенствующих проблем при конструировании мощных электронных устройств.

Если применять трансформаторный источник питания, то для нашей схемы габаритная мощность трансформатора должна быть не менее 625…650 ватт. Кроме того, что подобные трансы не валяются на дороге, так они ещё и жутко дорогие. А если вы захотели использовать собранный усилитель мощности в автомобиле. Как тогда его питать? В этом случае приходят на помощь импульсные источники питания и импульсные преобразователи напряжения. Собрать и довести до ума импульсный блок питания, преобразователь, конечно, сложнее традиционного, но другого выхода нет. Приходится паять. Ведь мы так близко к заветному первому запуску усилителя.

От теории к практике конструирования

Сегодня расскажем и приведем схему преобразователя напряжения с мощностью нагрузки до 1000 ватт. Конвертер отлично подойдет для питания как автомобильного усилителя, так и любого другого электрического устройства от бортовой сети. Напряжение на выходе преобразователя равно 75…105 вольтам. Но изменить его никогда не поздно. На вход преобразователя подается стандартное автомобильное напряжение 12 вольт. Схема преобразователя:

Добавлено: из радиолюбительской беседы в комментариях стало ясно, что схема преобразователя не полностью надежна и работоспособна. Мы немного изменили силовой каскад и в итоге получилась вот такая схема:

Добавлено: подробнее о питании сетевым напряжением смотрите комментарий 11. Также стоит обратить внимание на 21. В 31 фото собранного блока питания. Описание изменений читайте в 35, 37, 41.

Собирается преобразователь на широко распространенной микросхеме ШИМ TL494 и мощных MOSFET на выходе, способными обеспечить необходимую силу тока.

Для этой цели сгодятся по три параллельно соединенных полевых транзистора IRFZ44N на плечо. Итого, шесть штук, т.к. преобразователь, конечно, двухтактный. Кстати, такие транзисторы стоят в автомобильном сабвуфере Prology ATB-1000 и Prology ATB-1200.

Можно поставить в схему MOSFET IRF3710, помощнее и понадежнее. На выход преобразователя традиционно ставят импульсный трансформатор. А после него уже мощные выпрямительные диоды или диодный мост и фильтрующие конденсаторы, т.е. все обязательные для блоков питания радиокомпоненты.

Рассчитываем импульсный трансформатор

Теперь о том, как рассчитать импульсный трансформатор для нашей схемы преобразователя. Входное напряжение потенциалом 13,8 вольт должно преобразовываться примерно в 70 вольт (чтобы после диодов и фильтрующих конденсаторов получилось около 90 В). Частота преобразователя 50 кГц. Её задает генератор с ШИМ TL494 (левая часть схемы преобразователя). Допустим, у нас в наличии имеется ферритовое кольцо М2500НМС К65х40х9. Из него мы будем получать импульсный трансформатор для нашего преобразователя. Буковка «С» в маркировке феррита обозначает, что он предназначен для работы в сильных магнитных полях. Габаритная мощность такого кольца примерно 1100 ватт, т.е. то, что нам нужно. А рассчитывается она по формуле:

P_габ = 3,14 * (D – d) * h * d * d * f * 0,25 / 12000 => P_габ = 3,14*(65-40)*9*40*40*50*0,25/12000?1100 Вт.

Как можно заметить, габаритная мощность зависит не только от размеров ферритового сердечника, но и от частоты тока преобразователя. Причем зависимость существенная. Таким образом, при проектировании преобразователя напряжения мы не скованы частотной характеристикой, как это было бы в случае с традиционным сетевым блоком питания, рассчитанном на промышленную частоту 50…60 Гц. Это не может не радовать, так как при расчетах, обнаружив несоответствие габаритной мощности трансформатора мощности нагрузки, мы можем просто увеличить частоту задающего генератора. Частота, если брать в широких пределах, может составлять 5…500 кГц, обычно, конечно, этот разброс значительно уже – 10…100 кГц. При этих значениях коэффициент полезного действия импульсного трансформатора равен 95…99%! Но здесь ещё необходимо, конечно, учитывать характеристики материала сердечника. Для предварительного расчета можно взять среднюю частоту преобразования 50 кГц. Увеличив частоту до 100 кГц, мы получим габаритную мощность импульсного трансформатора для нашего преобразователя в два раза больше, т.е. под 2 кВт.

Сила тока во вторичной обмотке I₂ = 1000 / (70+70) ? 7 ампер.

Теперь определим плотность тока в обмотках: J = 1,5 + 24 / (P_габ)^1/2 => J=1,5+24/(1100)^1/2 = 2,2 А/мм².

Теперь необходимо определить разность потенциалов, подводимую к импульснику для рассматриваемой схемы преобразователя напряжения. Поскольку первичная обмотка поделена на две с отводом от средней точки, U₁ = 2*13,8 – U_нас, где U_нас – падение напряжения на переходе сток-исток транзистора. Для IRFZ44N примем U_нас = 0,8 В. Для MOSFET IRF3710 это значение поменьше. U₁ = 2*13,8 – 0,8 ? 27 вольт.

Отлично. Находим количество витков и диаметр провода первичной обмотки. W₁ = 500 * U₁ / (F * 0,25 * (D – d) * h) => W₁=500*27/(50*0,25*(65-40)*9) ? 5 витков. Т.е. по три витка на плечо с отводом от середины. Итого, W₁=6. Для вычисления диаметра обмоточного провода определим силу тока в первичной обмотке. I₁ = 1000 ватт / (27 вольт/2*КПД) => I₁ = 1000 ватт / (27 вольт/2*0,9) ? 83 А. Отсюда диаметр провода равен d1 = 0,6*(83 А)^1/2 = 5,46 мм. Если считать через плотность тока, то получаем d₁ = (83 (А) / 2,2 (А/мм²) / 3,1415)^1/2 * 2 = 6,9 мм. Найдем среднее значение d₁= (5,46+6,9)/2 ? 6 мм. Можно и нужно взять провод меньшего диаметра и намотать первичку в несколько жил. Например, 1,5 мм x 16 жил.

Число витков вторичной обмотки W₂ = W₁*U2 / U1 => W₂=6*(70+70) / 27 = 31 виток или примерно по 15…16 витков с отводом от середины медным проводом диаметром d₂ = 0,6*(7 А)^1/2 ? 1,6 мм. Для верности можно пустить три жилы диаметром 1 мм. Или 0,63 мм x 6 жил.

После всех свистоплясок получается импульсный трансформатор для преобразователя примерно следующего вида:

Вот мы и произвели беглый расчет импульсного трансформатора для схемы преобразователя мощностью 1000 ВА. Причем сделали это вручную, без использования компьютерных программ. Методик расчета трансформаторов предостаточно. Для получения более точных показателей, конечно, желательно воспользоваться вычислительной программой для расчета трансформатора. И лучше не одной. Т.к. полученные значения в них порой очень сильно разняться. А при расчете в нескольких прогах можно аналитически-статистическим методом отсеять более точные данные. Одну из программ можно скачать в статье автомобильный преобразователь напряжения. Там же можно почитать дополнительно о подобных конструкциях и схемах преобразователей. И ещё несколько скачайте по ссылке ниже.

Скачать программы для расчета трансформатора

Автором ExcellentIT v.3.5.0.0 и Lite-CalcIT v.1.7.0.0 является Владимир Денисенко из г. Пскова, автором Transformer v.3.0.0.3 и Transformer v.4.0.0.0 – Евгений Москатов из г. Таганрога.

Советую применять все указанные программы для расчета импульсных источников питания комплексно.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: полезно собрать

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Расчет силового трансформатора
Преобразователь напряжения 12 – 220

Схема преобразователя напряжения 12В-220В 50Гц » Паятель.Ру

Преобразователь предназначен для питания от автомобильной борт-сети или от автомобильной аккумуляторной батареи различных электроприборов, рассчитанных на питание от сети переменного тока 220В / 50 Гц и потребляющих мощность не более 100 Вт. Преобразователь может быть рекомендован для туристов, а так же для охотников и рыбаков. Преобразователь потребляет от источника постоянного тока на холостом ходу ток не более 1 А, при полной нагрузке (100 Вт) — около 10 А.

Принцип работы преобразователя

Он состоит из формирователя прямоугольных противофазных импульсов частотой 50 Гц и мощного выходного каскада с силовым трансформатором на выходе.

Мультивибратор на элементах D1.1 и D1.2 вырабатывает импульсы частотой 12800 Гц, которые поступают на вход двоичного счетчика D2, этот счетчик делит частоту импульсов на 256, получая на выходе 50 Гц и формирует симметричные прямоугольные импульсы такой частоты, которые поступают на два выходных буфера, инвертирующий на элементе D1.3 и неинвертирующий на элементах D1.4 и D1.5.

Использование в предвыходном каскаде элементов микросхемы К561ЛН2 выгодно и тем, что элементы этой микросхемы выдают наибольший ток на своих выходах по сравнению с другими микросхемами этой серии. Кроме того на выходах они имеют ограничители тока.

Противофазные импульсы с выходов D1.3 и D1.5 поступают на двухтактный выходной ключевой каскад собранный на двух мощных составных транзисторах КТ827А. Конденсаторы С4 и С5 ускоряют процесс открывания этих транзисторов, таким образом облегчая их режим работы (снижается время переходного процесса, в течении которого на транзисторах рассеивается наибольшая мощность).

Амплитуда импульсов, поступающих на базы этих транзисторов около 2 В, а токи баз ограничиваются резисторами R3 и R4 и выходными ограничителями тока элементов D1.3 и D1.5. В их коллекторных цепях включены половины первичной обмотки силового трансформатора Т1.

Во вторичной обмотке выделяется переменное напряжение, имеющее форму несколько сглаженных прямоугольных импульсов. Для питания электроприборов это не играет существенного значения, но для питания радиоаппаратуры потребуется установка на выходе преобразователя фильтра, сглаживающего прямоугольность выходного напряжения.

Цепь R2C2 нужна для исключения влияния импульсов тока в первичной обмотке трансформатора на работу цифровой части преобразователя, включающей мультивибратор и двоичный счетчик. Такое же назначение имеет и конденсатор С3, который располагается на плате формирователя прямоугольных импульсов.

Трансформатор Т1 имеет магнитопровод ПЛМ 27-40-58. Первичная обмотка намотана проводом диаметром 2 мм типа ПБД-2 или ПСД-2, она содержит 30 витков с отводом от середины. Вторичная обмотка наматывается проводом ПЭВ-2 0,64, она содержит 710 витков. При отсутствии указанного магнитопровода можно использовать каркас и “Ш-сердечник” от силового трансформатора от старой ламповой техники мощностью не менее 150 Вт и имеющий объем каркаса, достаточный для размещения обмоток.

Транзисторы КТ827А устанавливаются на радиаторы с площадью поверхности не менее 300см2. Можно использовать общий радиатор на два транзистора, либо смонтировать все устройство в теплоемком металлическом корпусе, который будет одновременно выполнять и роль радиатора, но при этом нужно предпринять все меры по изолированию транзисторов (слюда, теплопроводящая паста).

В авторском варианте используются разные радиаторы для транзисторов, которые установлены на каркасной панели устройства при помощи гетинаксовых втулок, изолирующих радиаторы от панели и корпуса.

Детали формирователя импульсов смонтированы на небольшой печатной плате, разводка и монтажная схема которой показана на рисунке. Конденсатор С3 устанавливается рядом с платой и прикрепляется к корпусу преобразователя при помощи хомута (для исключения пробоя его корпус сначала обернут слоем лакоткани).

Настройка

Настройку начинают с формирователя (с отключенными выходными транзисторами). Нужно подбором номинала R1 установить частоту 12800 Гц на выводе 4 D1, при этом частота на выводе 13 D2 будет равна 50 Гц. Затем подключают выходной каскад и проверяют импульсные напряжения на базах транзисторов. Их размах должен быть 2-3В.

Электронные схемы от 1.5 вольт своими руками. Сборка преобразователя напряжения

Среди радиолюбителей и профессионалов цифровые мультиметры имеют большую популярность благодаря их многофункциональности. Для их питания применена, как правило, девяти вольтова батарея «Крона», имеющая заметную саморазрядку, небольшую емкость и более высокую цену в сравнении с другими элементами.
Предлагаемое устройство питания цифрового мультиметра от одного элемента АА напряжением 1,5 вольта, позволит избежать указанных недостатков в работе и упростить эксплуатацию прибора.

В интернете предлагается много различных схем для преобразования напряжения 1,5 в 9 вольт. Каждая имеет свои плюсы и минусы. Данное устройство изготовлено на базе схемы А. Чаплыгина, опубликованной в журнале «Радио» (11.2001г., стр.42) .
Отличием данного варианта исполнения преобразователя, является расположение элемента питания и преобразователя напряжения, в крышке футляра мультиметра, вместо создания компактного блока питания устанавливаемого вместо батареи «Крона». Это позволяет в любой момент, без разборки прибора, заменить элемент АА, а при необходимости отключить преобразователь (разъем Джек 3,5) с автоматическим включением резервной батареи «Крона» расположенной в своем отсеке. Кроме того, при изготовлении преобразователя напряжения, нет необходимости в миниатюризации изделия. Быстрее и проще намотать трансформатор на кольце большего диаметра, лучше теплоотвод, свободнее монтажная плата. Такое расположение узлов в крышке футляра не мешает работе с мультиметром.
Данный преобразователь может быть выполнен в любом подходящем корпусе и использоваться в самых разнообразных устройствах, где требуется питание от девятивольтовой батареи «Крона». Это мультиметры, часы, электронные весы и игрушки, медицинские приборы.

Схема генератора преобразователя напряжения

Предлагается повышающий инвертор постоянного напряжения, имеющий хорошие выходные данные с минимумом входящих элементов. Схема представлена на рисунке.

На транзисторах VT1 и VT2 собран двухтактный генератор импульсов. Ток положительной обратной связи протекает через вторичные обмотки трансформатора Т1 и нагрузку, подключенную между цепью + 9 В и общим проводом. За счет пропорционального токового управления транзисторами существенно уменьшены потери на их переключение и повышен КПД преобразователя до 80… 85 % .
Вместо выпрямителя высокочастотного напряжения используются база-эмиттерные переходы транзисторов самого генератора. При этом величина тока базы становится пропорциональной величине тока в нагрузке, что делает преобразователь весьма экономичным.
Другой особенностью схемы является срыв колебаний в отсутствие нагрузки, что автоматически может решить проблему управления питанием. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется. Преобразователь, будет сам включаться тогда, когда от него потребуется что-нибудь запитать и выключаться, когда нагрузка будет отключена.
Но так как в большинстве современных мультиметров введена функция автоматического отключения питания, для исключения доработки схемы мультиметра, проще установить выключатель питания преобразователя.

Изготовление трансформатора преобразователя напряжения

Основой генератора импульсов является трансформатор Т1.
Магнитопроводом трансформатора Т1 служит кольцо К20х6х4 или К10х6х4,5 из феррита 2000НМ. Можно взять кольцо из старой материнской платы.

Порядок намотки трансформатора.
1. Вначале нужно подготовить ферритовое кольцо.
Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку и не повредил свою изоляцию, желательно притупить острые кромки ферритового кольца мелкозернистой шкуркой или надфилем.
Намотать изоляционную прокладку на кольцевой сердечник для исключения повреждения изоляции провода. Для изоляции кольца можно использовать лакоткань, изоленту, трансформаторную бумагу, кальку, лавсановую или фторопластовую ленту.

2. Намотка обмоток трансформатора с коэффициентом трансформации 1/7: первичная обмотка – 2х4 витка, вторичная обмотка – 2х28 витков изолированного провода ПЭВ -0,25.
Каждую пару обмоток наматывают одновременно в два провода. Складываем пополам провод отмеренной длины и сложенным проводом начинаем плотно наматывать на кольцо нужное количество витков.

Для исключения повреждения изоляции провода при эксплуатации, по возможности, применить провод МГТФ или другой изолированный провод диаметром 0,2-0,35 мм. Это несколько увеличит габариты трансформатора, приведет к образованию второго слоя обмотки, но гарантирует бесперебойную работу преобразователя напряжения.
Вначале мотаются вторичные обмотки lll и lV (2х28 витков) цепи баз транзисторов (см. схему преобразователя).
Затем на свободном месте кольца, так же в два провода, мотаются первичные обмотки l и ll (2х4 витка) цепи коллекторов транзисторов.
В итоге, после разрезки петли начала обмотки, у каждой из обмоток будет 4 провода – по два с каждой стороны обмотки. Берём провод конца одной половины обмотки(l) и провод начала второй половины обмотки (ll) и соединяем их вместе. Аналогично поступаем со второй обмоткой (lll и lV). Должно получиться примерно следующее: (красный вывод – середина нижней обмотки (+), черный вывод – середина верхней обмотки (общий провод)).

При намотке обмоток, витки можно закрепить клеем «БФ», «88» или цветной изолентой обозначающей разным цветом начало и конец обмотки, что в дальнейшем поможет правильно собрать обмотки трансформатора.
При намотке всех катушек нужно строго соблюдать одно направление обмотки, а также отмечать начало и конец обмоток. Начало каждой обмотки помечено на схеме точкой у вывода. При несоблюдении фазировки обмоток генератор не запустится, так как в этом случае нарушатся условия необходимые для генерации. Для этой же цели, как вариант, возможно использовать два разноцветных провода от сетевого кабеля.

Сборка преобразователя напряжения

Для работы в преобразователях небольшой мощности, как в нашем случае, подойдут транзисторы А562, КТ208, КТ209, КТ501, МП20, МП21. Возможно придётся подобрать количество витков вторичной обмотки трансформатора. Это связано с разной величиной падения напряжения на p-n переходах у различных типов транзисторов.
Транзисторы следует выбирать, ориентируясь на допустимые значения тока базы (он не должен быть меньше тока нагрузки) и обратного напряжения эмиттер-база. То есть, максимально-допустимое напряжение база-эмиттер должно превышать необходимое выходное напряжение преобразователя.
С целью уменьшения помех и стабилизации выходного напряжения преобразователь дополнен узлом из двух электролитических конденсаторов (для сглаживания пульсаций напряжения) и интегрального стабилизатора 7809 (с напряжением стабилизации 9 вольт) по схеме:

Преобразователь собираем согласно схеме и паяем все входящие элементы на текстолитовой плате вырезанной из универсальной монтажной платы, продающейся в радиотоварах, методом навесного монтажа. Размеры платы выбираются в зависимости от размеров выбранных транзисторов, получившегося трансформатора и места установки преобразователя. Вход, выход и общая шина преобразователя выведены гибким многожильным проводом. Выходные провода, с напряжением +9в, заканчиваются разъемом Джек 3,5 для подключения к мультиметру. Входные провода подключены к кассете с установленной батареей 1,5 вольта.

Проверяем правильность сборки преобразователя, подключаем батарею и проверяем прибором наличие и величину напряжения на выходе преобразователя (+9в).
Если генерация не возникает и напряжения на выходе отсутствует, проверьте правильность подключения всех катушек. Точками на схеме преобразователя отмечено начало каждой обмотки. Попробуйте поменять местами концы одной из обмоток (входной или выходной).
Преобразователь способен работать и при уменьшении входного напряжения до 0,8 – 1,0 вольта и получить напряжение 9 вольт от одного гальванического элемента напряжением 1, 5 В.

Доработка мультиметра

Для подключения преобразователя к мультиметру, необходимо найти внутри прибора свободное место и установить там гнездо для штекера Джек 3,5 или аналогичного имеющегося разъема. В моем мультиметре M890D свободное место нашлось в углу, слева от отсека для батареи «Крона».
В качестве футляра для мультиметра используется футляр от электробритвы.

Подготовил: Смирнов И.К.

Давно хотел сделать себе миниатюрный и яркий фонарик питающийся от одно элемента АА или ААА. Для таких целей есть даже спец. микросхемы, но их дефицит у нас + жаба заставили меня пораскинуть мозгами. В результате было сделано это чудо:

Светит очень ярко. Яркость свечения почти не падает, если подключить параллельно еще один светодиод. Распространённость деталей + легкость сборки и настройки позволят без проблем повторить эту конструкцию.

Трансформатор наматывается на ферритовом кольце. Я брал кольцо из старой материнской платы. Наматывать очень просто. Берем два провода одинаковой длинны (я использовал два разноцветных провода от сетевого кабеля). Складываем их вместе и сложенным проводом начинаем наматывать на кольцо виток к витку. В результате у нас получаться 4 провода по два с каждой стороны кольца. Берём по одному проводу разных цветов с каждой стороны и связываем их вместе. Должно получиться примерно следующее:

Вид сбоку:

Вместо транзистора BC547C можно применить наш отечественный кт315. Резистором R1 можно немного регулировать яркость свечения. Плата для этой схемы не разрабатывалась, на мой взгляд она тут ни к чему.

Ведущий канала compressedvideo как-то увидел фонарик на солнечной батарейке для сада и загорелся идеей использовать его для самоделок.

Займемся фонарем. Что есть? Есть инструкция. Главное свойство его – гореть в темноте. Удовлетворим любопытство и разберем девайс. Аккумулятор nicd на 1.2 вольта. 100 мa/час. Это не много. Если светодиод достаточно мощный на 20 милиампер, то хватит на пять часов при полном заряде аккумулятора.

Готовые преобразователи продаются в этом китайском магазине .

Внутри фонаря маленькая платка с микросхемой yx8018; китайцы не стали делать слишком сложно. Светодиод. Это не резистор, а индуктивность. Даже есть выключатель, не в каждом фонаре. YX8018 – импульсный преобразователь напряжения, поднимает для питания светодиода. Простейшая схема. Вход CE, выключает преобразователь. если есть освещение.

Для начала проверим, что выдают солнечные элементы. Две батареи из фонариков. Вспоминаем, что куплены они в одном магазине. Замеряем напряжение, выдаваемое батареей. Даже не на солнце. а под настольной лампой. Первая дает от простой лампы до двух вольт, – неплохой результат. Для заряда аккумулятора нужно более 1.2 V. Возьмем вторую. А похвастаться нечем, всего 9 десятых вольта от той же лампы. Вывод, первая зарядит аккумулятор даже вечером от лампы, а для второй понадобится нормальный солнечный свет.

Из микросхемы можно сделать преобразователь. Он из аккумулятора в 1.2 V. Сейчас настроен на пять вольт.

Требуется дополнительно транзистор. Диод шоттки, индуктивность и пара конденсаторов. Резистор дает возможность настраивать напряжение. И главное – микросхема используется как преобразователь.

Как это работает. Собираем все на макетной плате. Подключаем и определяем напряжение, получаем пять вольт – это уже кое-что. Сюда можно подключить какой-нибудь девайс, например, тот-же светодиод. От 5 V уже должен гореть, если ему достаточно тока. Светодиод – работает! Фактически запитали от родной акб. Понятное дело, что долго он гореть не сможет. Хотя фонарик рассчитан на то, чтобы светить всю ночь.

Осталось подать электричество на аккумулятор от источника солнечной энергии. Вольтаж растет. Можно выключить, включить, напряжение не падает. Поскольку подключил через диод шоттки, на нем небольшое падение. Но зато акб не разряжается, если батарея в тени.

Что в итоге получили из фонарика? Есть батарейка малой емкости. Для самоделок, конечно мало. Есть один светодиод и выключатель. Микросхема. Солнечный элемент можно приспособить для часов или датчика температуры. Что-нибудь не энергоемкое. Успехов в ваших самоделках!

nik34 прислал:

Описана схема простого самодельного преобразователя напряжения одной батарейки в 9В. В отличие от многих других, в ней используется простой однообмоточный дроссель, что существенно упрощает схему. К тому же, преобразователь может быть настроен не только на 9В, но и на другие напряжения.

В один из вечеров была собрана схема для питания светодиода от одной батарейки. Но, так как она собрана была только ради спортивного интереса, то в итоге родилась идея модифицировать её для питания мультиметра от одного элемента 1.5В, вместо 9В “Кроны”.

Вот так вот и родилась нижеприведенная схема.

Схема не критична к подбору деталей, их номиналы могут варьироваться в достаточно широких пределах. От них будет зависеть только общий КПД преобразователя.

Транзисторы можно использовать практически любые, но, все таки, вместо 2N2222 лучше использовать транзистор с большим коэффициентом усиления по току, а также, имеющий малое падение напряжения КЭ, т.е., желательно, имеющий ток коллектора не меньше 300…500мА.

Номинал конденсатора положительной обратной связи (0.1мкФ) также может варьироваться от 4.7нФ до 0.1мкФ.

Вместо 1N5817 можно использовать диод Шоттки, либо, на крайний случай, обычную “стекляшку” типа 1N4148.

Если не будет под рукой стабилитрона на нужное напряжение (9.1В), его можно заменить например последовательно соединенными стабилитронами на 5.6 и 3.6В, или 5.1В и 4.1В. Вообще, схема может быть использована не только для получения 9В, но и других

Потребление от батарейки АА на 1.5В при включенном мультиметре может составлять от 30 до 50мА, в зависимости от выбранного диапазона измерений.

Фото готового устройства

Давно мечтал изготовить преобразователь напряжения 1,5 – 9 вольт «Крона» из аккумулятора ААА для цифровых мультиметров. В роли корпуса для самодельного преобразователя я решил взять корпус от старой батареики типа «Крона».

Во первых, я аккуратно разогнул завальцованный край задней части корпуса батарейки. В углах осторожно отогнул завальцовку используя маленькую отвертку. Удалил секции батареи. А затем в задней стенке диаметром 6 мм просверлил отверстие и вставил стандартное гнездо под “Джек 3,5мм” для зарядки аккумулятора типа АА.

Известная перефразировка афоризма Леонардо да Винчи: «Всё гениальное – просто», отлично подходит для прототипа нашей схемы которую мы позаимствовали из одного из радиолюбительских журналов:

Наша, схема состоит всего из пяти радиокомпонентов, причем два из них, это ёмкости фильтров. Вместо выпрямителя ВЧ применяются база-эмиттерные переходы транзисторов самого генератора. Поэтому, значение тока базы пропорционально величине тока в нагрузке, что делает конструкцию весьма энергоэффективной.

C1, C2 – 22µF; VT1, VT2 – КТ209К; B1 – 1… 1,5V

Другой интересной особенностью конструкции генератора можно считать срыв колебаний в отсутствие подключенной нагрузки, что на 100% решает проблему эффективного управления питанием.

Трансформатор TV1 изготовлен из кольцевого магнитопроводе 2000НМ размером К7х4х2, на котором намотаны обмотки III и IV содержащие по 28 витков медного провода диаметром 0,16мм, а I, II по 4 витка – 0,25мм. ()

Вначале наматывают вторичные обмотки III и IV. Их нужно намотать одномоментно в два провода. Витки фиксируем клеем, «БФ-2» или «БФ-4». Затем, точно так же в два провода, наматывают первичные обмотки.

Схема собрана с помощью навесного монтажа, монтажной нитью связаны между собой транзисторы, конденсаторы и самодельный трансформатор.

Настройка схемы. Для установки заданного уровня выходного напряжения, может потребоваться подборка количества витков, чтобы при напряжении на аккумуляторе ААА в 1,0 Вольт, на выходе преобразователя было 7 Вольт. При этом минимальном напряжении, в мультиметре начинает мигать индикатор разряда батареи.

Если вместо КТ209К применены транзисторы другого типа, тогда подстраиваем количество витков вторичной обмотки самодельного трансформатора. Это происходит из-за разного падения напряжения на p-n переходах у разнотипных полупроводников. Я собрал эту конструкцию на транзисторах КТ502 при “родных” параметрах трансформатора. Выходное напряжение при этом упало где-то на вольт.

Перед окончательным этапом сборки конструкции, все радиокомпоненты соединил гибким многожильным проводом, и проверил работу схемы. Для защиты от КЗ, импульсный преобразователь со стороны контактов заизолирован герметиком.

Схема преобразователя напряжения 12V » Вот схема!

Преобразователь использует гальванический источник напряжением 3-4.5V и вырабатывает постоянное напряжение 12-15V. Максимальный ток нагрузки составляет 150 мА, при этом КПД преобразователя около 70%, при снижении тока до 10-15 мА КПД уменьшается до 40%, Выходное сопротивление 0.2 Ом. Пульсации выходного напряжения не более 10 мВ. Частота преобразования 22 кГц.

Преобразователь предназначен для использования в случаях, когда выполняется ремонт или усовершенствование портативной аппаратуры с низковольтным питанием, выполняемый путем внесения в схему дополнительных узлов, требующих более высокого напряжения питания, и при этом нет габаритных возможностей использовать большее число гальванических элементов.

Преобразователь может питать и измерительные приборы, но в этом случае потребуется на его выходе установить дополнительный стабилизатор, поскольку, с целью упрощения, стабилизация не предусмотрена.

Схема преобразователя показана на рисунке. Схема трансформаторная, имеется положительная обратная связь по току в нагрузке, достигается это тем, что напряжения обратной связи для функционирования двухтактного генератора на транзисторах VT1 и VT2 снимаются с частей вторичной обмотки, которая через цепь нагрузки связана с минусом источника питания.

В результате увеличение тока нагрузки приводит к увеличению этой связи и следовательно большему открытию транзисторов, в то же время, при уменьшении тока нагрузки эта связь уменьшается и преобразователь переходит в экономический режим. Этим достигается, относительно простыми мерами столь высокий КПД.

Вторичное напряжение выпрямляется диодами VD1 и VD2 и сглаживается конденсатором С2. Слишком большой емкости здесь не нужно, поскольку частота преобразования достаточно высокая, к тому же она находится за верхним пределом полосы пропускания звуковых трактов большинства портативной аппаратуры и не оказывает влияния на её работу.

Трансформатор намотан на кольце К17X8X5 из феррита 2000НМ. Первичная обмотка содержит 12+12 витков, вторичная – 48+10+48 витков Провод ПЭВ 0,31 Транзисторы – КТ816, диоды КД102. Сделан источник в виде объемного модуля, помещенного в корпус крупного оксидного конденсатора (К50-16 на 2200 мкф) и залитого эпоксидной смолой.

Что такое преобразователь мощности?

Что такое преобразователь мощности?

Преобразователь – это электрическая цепь, которая принимает входной постоянный ток и генерирует выходной постоянный ток с другим напряжением, обычно достигаемым за счет высокочастотного переключения с использованием индуктивных и емкостных фильтрующих элементов.

Преобразователь мощности – это электрическая цепь, которая преобразует электрическую энергию из одной формы в желаемую, оптимизированную для конкретной нагрузки. Преобразователь может выполнять одну или несколько функций и выдавать выходной сигнал, отличный от входного.Он используется для увеличения или уменьшения величины входного напряжения, изменения полярности или создания нескольких выходных напряжений одной и той же полярности со входом, другой полярности или смешанной полярности, например, в блоке питания компьютера.

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в широком спектре приложений, включая источники питания компьютеров, преобразование и регулирование мощности на уровне платы, схемы управления двигателями постоянного тока и многое другое.

Преобразователь действует как связующее звено или ступень преобразования между источником питания и выходом источника питания.Существует несколько королей преобразователей, основанных на входном напряжении источника и выходном напряжении, и они делятся на четыре категории, а именно преобразователи переменного тока в постоянный, известный как выпрямитель, циклоконвертер переменного тока в переменный или преобразователь частоты, преобразователь постоянного напряжения или тока в постоянный. , и преобразователь постоянного тока в переменный.

Рис.1 Технические характеристики преобразователя мощности

Преобразователь использует нелинейные компоненты, такие как полупроводниковые переключатели, и линейные реактивные компоненты, такие как катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы для промежуточного накопления энергии, а также фильтрации тока и напряжения.Размер, вес и стоимость преобразователя во многом определяются этими компонентами.

В преобразователях постоянного тока широко используются три основные схемы преобразователя: понижающая, повышающая и понижающая и повышающая. Эти конфигурации являются наиболее часто используемыми топологиями из-за их простоты и использования меньшего количества компонентов. У каждого есть свои преимущества и недостатки, которые определяют пригодность для любого конкретного применения.

Рисунок 2 Схема неизолированной схемы преобразователя

Понижающий преобразователь – это понижающий преобразователь, повышающий – повышающий, а понижающий-повышающий – одновременно повышающий и понижающий.Все они не изолированы и используют индуктор в качестве элемента передачи энергии и в основном используются при преобразовании и регулировании мощности на уровне платы.

Изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный используют трансформатор для обеспечения изоляции, нескольких выходов, разного уровня напряжения или полярности в зависимости от соотношения витков и направления обмоток.

Они основаны на неизолированной топологии, но с включением трансформатора. Обычно используются следующие типы: полный мост, полумост, прямой и двухтактный преобразователи, которые являются изолированными версиями понижающего преобразователя; и обратный ход, который является изолированной версией повышающего преобразователя.

Рис.3.Мостовой изолированный понижающий преобразователь

Для повышения производительности используются силовые полупроводниковые устройства с высокими частотами и быстрым переключением. Высокие частоты повышают эффективность при уменьшении физических размеров источников питания, поскольку они позволяют использовать более мелкие компоненты. Частоты обычно выше слышимого диапазона и находятся в диапазоне от 20 кГц до 200 кГц. Схема обратной связи и управления рабочим циклом обычно используется для регулировки условий включения и выключения для поддержания постоянного напряжения на выходе независимо от тока нагрузки или изменений напряжения питания.

Преобразователи широко используются в электронном оборудовании, в источниках питания и других схемах, требующих определенных уровней напряжения и тока, отличных от доступной исходной энергии питания. Преобразователи обеспечивают любой тип требуемого напряжения нужной величины. При правильной конструкции и использовании почти идеальных компонентов доступные методы преобразования предлагают множество надежных и эффективных источников энергии для питания большинства электронных устройств и компонентов.

Как использовать простые схемы преобразователя

Использование простых схем преобразователя при создании преобразователей других типов.

Рекомендуемый уровень

Начинающий

В этой технической статье рассматриваются различные схемы подключения, в которых используются различные типы преобразователей. Например, инверсия источника и нагрузки преобразует понижающий преобразователь в повышающий преобразователь, каскадное соединение преобразователей приводит к образованию повышающего понижающего преобразователя, а преобразователь Cuk – из базового понижающего и повышающего преобразователей. Различные соединения нагрузки между выходами более чем одного преобразователя могут вызвать образование однофазных или многофазных инверторов.

Инверсия источника и нагрузки

Рассмотрим простой понижающий преобразователь, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема понижающего преобразователя

Из принципа критерия вольт-временного баланса для индуктора,

Коэффициент преобразования этой схемы составляет,

$$ \ frac {V_ {O}} {V_ {S}} = D $$ [Уравнение 1]

Где D – коэффициент заполнения переключателя S, т.е. $$ D = \ frac {T_ {ON}} {T_ {ON} + T_ {OFF}} $$

Теперь, если мы поменяем местами порты ввода и вывода, как показано на рис.2. Конденсатор остается целым вместе с нагрузкой, чтобы избежать высокочастотных пульсаций.

Рис. 2. Понижающий преобразователь с инвертированным источником и нагрузкой

Поскольку уравнение 1 справедливо и для инвертированной схемы, коэффициент преобразования будет:

$$ \ frac {V_ {S}} {V_ {O}} = D $$ или $$ V_ {O} = \ frac {1} {D} V_ {S}. $$

Здесь нагрузка подключена к источнику питания, когда S включен. Но направление «потока силы» меняется на противоположное, как показано.Если поменять местами два переключателя S и D, мы получим следующую конфигурацию преобразователя, как показано на рисунке 3. Конфигурация на рис. 3 более предпочтительна, так как время зарядки индуктора контролируется переключателем S.

Рис. 3. Инверсия источника и нагрузки при замене S и D

Так как переключатель S заменяет положение D, то его нужно держать включенным, когда он был выключен на рис. 2, и не выключать, когда он был включен, по отношению к конфигурации, показанной на рис.2. Рабочий цикл для этого случая будет 1-D. Таким образом, $$ V_ {O} = \ frac {1} {1-D} V_ {S}. $$ Здесь нагрузка подключается к источнику питания, когда переключатель S выключен. Эта конфигурация, показанная на рисунке 3, аналогична повышающему преобразователю.

Каскадное подключение преобразователей

Пусть будет два преобразователя с коэффициентами преобразования С1 и С2. Если они подключены каскадно и имеют одинаковый коэффициент заполнения для переключателя преобразователя, то общий коэффициент преобразования будет C1 X C2.

Пусть первый преобразователь будет понижающим преобразователем, а второй – повышающим; и они подключены каскадом, как показано на рис. 4.

Этот преобразователь не инвертирующий, т.е. если входное напряжение имеет положительную полярность, выходное напряжение также имеет положительную полярность.

Рис. 4. Каскадный понижающий и повышающий преобразователи

Понятно, что конденсатор C _A может быть удален, а индукторы L _A и L _B могут быть объединены, как показано на рис.5 для той же цели, что и на фиг.

Рисунок 5. Неинвертирующий пониженно-повышающий преобразователь

В установившемся режиме коэффициент преобразования каскадного соединения для повышающего преобразователя в понижающий является произведением коэффициента преобразования для понижающего преобразователя и повышающего преобразователя. Коэффициент конверсии $$ = \ frac {V_ {O}} {V_ {S}} = D \, X \, (\ frac {1} {1-D}) $$, где 0

Выходное напряжение меньше входного напряжения, если D <0,5, и выходное напряжение больше входного напряжения, если D> 0.5.

Эту схему можно дополнительно упростить, уменьшив количество переключателей, но она изменит полярность выходного напряжения. Это происходит из-за изменения полярности индуктора в течение одного подинтервала. Его конфигурация представлена ​​на рис.6.

Рис. 6. Инвертирующий пониженно-повышающий преобразователь

Таким образом, коэффициент преобразования для инвертирующего повышающего преобразователя составляет

.

$$ \ frac {V_ {O}} {V_ {S}} = – \ frac {D} {1-D} $$

Аналогичным образом, преобразователь Cuk может быть получен путем каскадирования повышающего преобразователя, за которым следует понижающий преобразователь, как показано на рис.7. Преобразователь Cuk более эффективен, поскольку он имеет функцию без пульсаций входного тока повышающего преобразователя и функцию без пульсации выходного тока понижающего преобразователя.

Рисунок 7. Повышающий понижающий преобразователь

Схема, показанная на рис. 7, может быть дополнительно упрощена до рис. 8, как показано. Коэффициент преобразования для этого преобразователя такой же, как для повышающего преобразователя.

Рисунок 8.Преобразователь Ćuk

Вращение трехконцевых ячеек

Снова рассмотрим базовые схемы понижающего, повышающего, понижающего-повышающего преобразователей и понижающего преобразователя, как показано на рис. 9.

Рисунок 9. Базовые преобразователи

Комбинация переключателя и индуктора или комбинация переключателя и конденсатора может образовывать трехконтактные ячейки, которые могут использоваться для реализации всех основных конфигураций преобразователя, показанных на рис.9. Эти конфигурации клеммных ячеек состоят из однополюсного двухпозиционного переключателя, который при вращении показывает вышеуказанную конфигурацию преобразователей, показанную на рисунках 10 и 11.

Рис. 10. Конфигурация трехконтактной ячейки (индуктор с переключателем SPDT)

Очевидно, что если выводы трехконтактной ячейки (1, 2, 3) соединены следующим образом, соответствующие преобразователи могут быть реализованы, как указано ниже.

1 ——– (A), 2 —— (B), 3 ——— (C) ➔ Понижающий преобразователь

1 ——— (C), 2 ——- (A), 3 ——— (B) ➔ Повышающий преобразователь

1 ——— (A), 2 ——- (C), 3 ——– (B) ➔ Инвертирующий понижающий-повышающий преобразователь

Аналогично, другая конфигурация трехконтактного элемента, образованного комбинацией переключателя и конденсатора, как показано на рис.11.

Рис. 11. Конфигурация трехконтактной ячейки (с использованием конденсатора и переключателя)

Трехконтактную ячейку можно повернуть для подключения следующих клемм, чтобы реализовать следующие конфигурации преобразователя.

1 ———– (А), 2 ———— (В), 3 ————- (С ) ➔ Понижающий преобразователь.

1 ———– (C), 2 ———– (A), 3 ————- (B) ➔ Повышающий преобразователь

1 ———– (А), 2 ———— (В), 3 ————- (В ) ➔uk Converter

Дифференциальное подключение нагрузки Только преобразователи

в каскадной комбинации могут вырабатывать только униполярное напряжение.В случае инвертора требуется биполярное напряжение. Это биполярное напряжение может быть достигнуто с помощью дифференциального включения базовых преобразователей.

Дифференциальное соединение двух понижающих преобразователей показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Дифференциальное соединение двух понижающих преобразователей

Выходное напряжение для дифференциального подключения,

$$ V_ {O} = V_ {A} -V_ {B} $$

Рис.12 можно дополнительно упростить, исключив один из конденсаторов, как показано на рис. 13.

Рисунок 13. Упрощенное дифференциальное подключение понижающих преобразователей

Если переключатель S _A имеет рабочий цикл D, рабочий цикл для переключателя S _B должен быть (1-D).

Таким образом, $$ V_ {O} = DV_ {S} – (1-D) V_ {S} $$

$$ \ Rightarrow V_ {O} = (2D-1) V_ {S}. $$

Если D <0,5 ➔ V _O отрицательный,

А когда D> 0.5 ➔ V _O положительный.

Трехфазный инвертор также может быть получен по схеме конфигурации, показанной на рис. 14.

Рис. 14. Дифференциальное подключение для получения конфигурации трехфазного инвертора

Бак-преобразователи

Рис. 3.1.1 Понижающий преобразователь

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Понять принципы работы понижающих преобразователей.
• • Коммутационный транзистор.
• • Цепь маховика.
• Обратите внимание на ограничения выходного напряжения.
• Распознавайте разные источники входного сигнала.
• Поймите взаимосвязь между шириной импульса переключения и выходным напряжением.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь используется в цепях SMPS, где выходное напряжение постоянного тока должно быть ниже входного напряжения постоянного тока.Вход постоянного тока может быть получен от выпрямленного переменного тока или от любого источника постоянного тока. Это полезно там, где не требуется гальваническая развязка между коммутационной схемой и выходом, но если на входе используется выпрямленный источник переменного тока, изоляция между источником переменного тока и выпрямителем может быть обеспечена с помощью сетевого изолирующего трансформатора.

Коммутационный транзистор между входом и выходом понижающего преобразователя постоянно включается и выключается с высокой частотой. Чтобы поддерживать непрерывный выход, схема использует энергию, запасенную в катушке индуктивности L, во время периодов включения переключающего транзистора, чтобы продолжать питать нагрузку в периоды выключения.Работа схемы зависит от того, что иногда также называют схемой маховика. Это связано с тем, что схема действует скорее как механический маховик, который при регулярных импульсах энергии продолжает плавно вращаться (отдавать энергию) с постоянной скоростью.

Вход переменного или постоянного тока

Понижающий преобразователь – это форма преобразователя постоянного тока в постоянный, который может принимать входной сигнал непосредственно от источника постоянного тока, такого как аккумулятор. На входе также может быть постоянный ток, полученный от сети переменного тока (линии), как показано на рисунке 3.1.1 через цепь выпрямителя / накопительного конденсатора. Вход переменного тока в схему выпрямителя может быть переменным током высокого напряжения непосредственно от сети переменного тока или, альтернативно, с более низким напряжением через понижающий трансформатор. Как бы то ни было, постоянный ток, подаваемый на понижающий преобразователь, затем преобразуется в высокочастотный переменный ток с помощью переключающего транзистора или «прерывателя», управляемого прямоугольной волной (обычно с широтно-импульсной модуляцией). Это приводит к возникновению высокочастотной волны переменного тока, которая затем может быть повторно преобразована в постоянный ток гораздо более эффективным способом, чем это было бы возможно в схемах, описанных в модуле источников питания 1.

Операция понижающего преобразователя

Рис. 3.1.2 Время включения транзистора

Как показано на рис. 3.1.1, схема понижающего преобразователя состоит из переключающего транзистора вместе со схемой маховика (D1, L1 и C1). Пока транзистор включен, через нагрузку через катушку индуктивности L1 проходит ток. Действие любого индуктора противодействует изменениям тока, а также действует как накопитель энергии. В этом случае предотвращается немедленное увеличение выходного сигнала переключающего транзистора до его пикового значения, поскольку в катушке индуктивности накапливается энергия, полученная от возрастающего выхода; эта накопленная энергия позже возвращается обратно в схему в качестве резервного e.м.ф. поскольку ток от переключающего транзистора быстро отключается.

Период включения транзисторного переключателя

Таким образом, как показано на рис. 3.1.2, когда переключающий транзистор включен, он снабжает нагрузку током. Первоначально ток в нагрузке ограничен, так как энергия также накапливается в L1, поэтому ток в нагрузке и заряд на C1 постепенно нарастают в течение периода «включения». Обратите внимание, что в течение всего периода включения на катоде D1 будет большое положительное напряжение, поэтому диод будет смещен в обратном направлении и, следовательно, не будет играть никакой роли в действии.

Рис. 3.1.3 Переключение периода “выключения” транзистора

Период выключения транзисторного переключателя

Когда транзистор выключается, как показано на рис. 3.1.3, энергия, запасенная в магнитном поле вокруг L1, возвращается обратно в цепь. Напряжение на катушке индуктивности (обратная ЭДС) теперь имеет обратную полярность по отношению к напряжению на L1 в течение периода включения, и в коллапсирующем магнитном поле доступно достаточно накопленной энергии, чтобы поддерживать ток в течение, по крайней мере, части времени. транзисторный ключ открыт.

Задний э.д.с. от L1 теперь заставляет ток течь по цепи через нагрузку и D1, который теперь смещен в прямом направлении. Как только индуктор вернул в цепь большую часть своей запасенной энергии и напряжение нагрузки начинает падать, заряд, накопленный в C1, становится основным источником тока, поддерживая ток, протекающий через нагрузку, до начала следующего периода включения.

Общий эффект от этого заключается в том, что вместо большой прямоугольной волны, появляющейся на нагрузке, остается только пульсирующая форма волны, т.е.е. треугольная волна высокой частоты с малой амплитудой и уровнем постоянного тока:

V _OUT = V _IN x (Время включения сигнала переключения (t _ON ) / периодическое время сигнала переключения (T))

или:

Рис. 3.1.4 Работа понижающего преобразователя

Следовательно, если форма волны переключения имеет отношение метки к пространству 1: 1, выходной сигнал V _OUT из схемы понижающего преобразователя будет иметь значение V _IN x (0,5 / 1) или половину V _IN .Однако, если отношение метки к пространству сигнала переключения изменяется, возможно любое выходное напряжение от приблизительно 0 В до В _IN .

Просмотрите пути тока в периоды включения и выключения переключающего транзистора.

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.

Обратите внимание, что действия, показанные на рис.3.1.4 сильно тормозят; транзитор обычно включается и выключается с частотой 20 кГц или быстрее.

Рис. 3.1.5 Понижающий преобразователь для отрицательных материалов

Во многих сложных схемах основной источник постоянного тока может иметь слишком высокое напряжение для некоторых частей схемы. Например. напряжение питания 24 В постоянного тока для выходного каскада может потребоваться понизить до 5 В или 3,3 В для логических схем, управляющих выходным каскадом. В некоторых цепях может также возникнуть необходимость в обслуживании отрицательных источников питания. Для таких обстоятельств схема, показанная на рис.3.1.5 можно использовать. Это включает в себя изменение положения L1 и D1 и изменение полярности C по сравнению со схемой на рис. 3.1.2. Эта разновидность базового понижающего преобразователя теперь инвертирует положительный вход постоянного тока для создания отрицательного напряжения в диапазоне от 0 В до -В _IN .

Как работает Рис. 3.1.5

Когда транзисторный ключ включается, на L1 подается положительное напряжение питания. В этот момент диод D1 смещен в обратном направлении, поэтому ток питания не может достичь выхода, но заряжает L1, создавая вокруг него магнитное поле.Обратите внимание, что напряжение на L1 в это время заставляет верх индуктора быть положительным по отношению к линии 0 В.

Однако, когда входной транзистор выключается, магнитное поле вокруг L1 начинает разрушаться и, таким образом, вызывает изменение напряжения на L1, которое теперь делает верхнюю часть L1 отрицательной по отношению к 0 В. В это время D1 становится смещенным в прямом направлении и проводит ток, заставляя конденсатор C1 повышать напряжение, создавая отрицательное выходное напряжение на нагрузке. Фактическое значение отрицательного выходного напряжения будет обратным некоторой части входного напряжения и будет зависеть от отношения метки к пространству входного переключателя, приложенного к прямоугольному сигналу, который будет сигналом с широтно-импульсной модуляцией, обычно работающим с постоянной частотой. на десятках кГц.

Схема преобразователя постоянного тока

DC в DC самодельный arduino

Понижающий преобразователь Повышающий преобразователь Понижающий-повышающий преобразователь

Понижающий преобразователь (понижающий преобразователь) – это силовой преобразователь постоянного тока в постоянный, который понижает напряжение (при повышении тока) от входа (источника питания) к выходу (нагрузки). Это класс импульсных источников питания (SMPS), обычно содержащий как минимум два полупроводника (диод и транзистор, хотя современные понижающие преобразователи часто заменяют диод вторым транзистором, используемым для синхронного выпрямления) и как минимум один элемент накопления энергии. , конденсатор, катушка индуктивности или их комбинация.Чтобы уменьшить пульсации напряжения, фильтры, изготовленные из конденсаторов (иногда в сочетании с индукторами), обычно добавляются к выходу (фильтр на стороне нагрузки) и входу (фильтр на стороне питания) такого преобразователя.

В этом руководстве мы узнаем, как построить и как работает понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Схема очень проста, в ней используется всего один диод, катушка индуктивности и конденсатор. Переключателем будет MOSFET-транзистор, и для создания сигнала PWM мы будем использовать таймер 555 в конфигурации PWM, регулируемый контроллер повышения или один Arduino NANO.Но сначала давайте изучим немного теории. У нас есть схема понижающего преобразователя на следующем рисунке, где мы можем видеть переключатель, катушку индуктивности и конденсатор, и, конечно же, мы добавляем нагрузку к выходу.

2.0 Теория понижающего преобразователя

Итак, у нас есть следующая схема. Чтобы изучить, как это работает, мы разделим его на два этапа. Стадии ВКЛ и ВЫКЛ. В части ON переключатель закрыт, как мы можем видеть на следующем рисунке, где диод открыт, потому что напряжение на катоде выше, чем на аноде.Когда переключатель в первый раз замкнут (во включенном состоянии), ток начнет увеличиваться, и катушка индуктивности будет создавать противоположное напряжение на своих выводах в ответ на изменение тока. Это падение напряжения противодействует напряжению источника и, следовательно, снижает сетевое напряжение на нагрузке. Со временем скорость изменения тока уменьшается, а затем уменьшается и напряжение на катушке индуктивности, увеличивая напряжение на нагрузке. За это время индуктор накапливает энергию в виде магнитного поля.Если переключатель размыкается, когда ток все еще изменяется, то всегда будет падение напряжения на катушке индуктивности, поэтому сетевое напряжение на нагрузке всегда будет меньше, чем у источника входного напряжения. Когда переключатель находится в положении ON, индуктор будет заряжаться, и напряжение на индукторе будет разницей между выходом и входом. Но мы также знаем, что напряжение катушки индуктивности – это индуктивность L, умноженная на производную тока катушки индуктивности. Как видно на следующем рисунке, мы получаем ток включения через катушку индуктивности.

Когда переключатель снова разомкнут (выключенное состояние), источник напряжения будет удален из цепи, и ток уменьшится. Уменьшение тока вызовет падение напряжения на катушке индуктивности (противоположное падению во включенном состоянии), и теперь катушка индуктивности становится источником тока. Сохраненная энергия в магнитном поле индуктора поддерживает ток через нагрузку. Этот ток, протекающий при отключенном источнике входного напряжения, при соединении с током, протекающим во включенном состоянии, составляет в сумме ток, превышающий средний входной ток (равен нулю в выключенном состоянии).«Увеличение» среднего тока компенсирует снижение напряжения и в идеале сохраняет мощность, подаваемую на нагрузку. В выключенном состоянии катушка индуктивности разряжает накопленную энергию в остальную часть цепи. Если переключатель снова замкнут до того, как катушка индуктивности полностью разрядится (во включенном состоянии), напряжение на нагрузке всегда будет больше нуля.

В этом случае напряжение на катушке индуктивности является выходным напряжением. Итак, еще раз используя формулы следующего рисунка, мы получаем ток выключенной части.

Хорошо, теперь, если мы хотим получить выходной сигнал в зависимости от входа и рабочего цикла ШИМ, все, что нам нужно сделать, это сделать сумму включенного и выключенного тока равной 0. Это означает, что ток включения равен Отключенный ток. Таким образом, мы получим:

Итак, мы получаем, что выход – это вход, умноженный на рабочий цикл. Рабочий цикл ШИМ может иметь значения от 0 до 1. Таким образом, только возможный выход будет равен или ниже входного. Вот почему эта конфигурация называется понижающим преобразователем.

3.0 Понижающий преобразователь Arduino NANO

С уважением, у этой схемы нет другого смысла, кроме как учиться. В Arduino NANO уже есть линейный стабилизатор напряжения 5 В, который снижает эффективность схемы. Итак, основная цель – узнать, как работают схема, обратная связь и сигнал ШИМ, чтобы добиться желаемого результата.

Смотрите полный список деталей здесь:

3.1 НЕТ обратной связи

Как вы можете видеть на схеме выше, у нас есть потенциометр, подключенный к аналоговому входу A0.С помощью этого потенциометра мы выберем выходное значение от 1 до 12 В, поскольку максимальное входное напряжение в этом случае составляет 12 В. С помощью АЦП Arduino мы будем считывать значение от 0 до 1024, затем в коде мы сопоставляем это значение от 1 до 244, которые являются значениями, используемыми с функцией analogWrite Arduino. При этом мы подадим сигнал ШИМ на вывод D3, где 1 – самый низкий рабочий цикл, а 244 – максимальный. Поскольку цифровое значение Arduino составляет 5 В, мы добавляем небольшой драйвер BJT, используя один S8050 NPN и два резистора 10k и 1k.Выход этого драйвера подключен к затвору P-MOSFET IRF4905.

Подключите все, как показано на схеме выше, загрузите следующий код в свой Arduino и начните перемещать потенциометр. Наблюдайте за выходом на осциллографе.

Загрузите код НЕТ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ здесь:

Итак, эта схема может увеличивать и уменьшать напряжение и поддерживать это значение стабильным для той же НАГРУЗКИ, в данном случае резистора 100 Ом, как мы можем видеть на рисунке ниже. Но если мы изменим выходную нагрузку, время разряда выхода также изменится, поскольку для более низких нагрузок будет проходить большее количество тока.Поэтому, если время разряда больше или меньше, рабочий цикл также должен измениться. Для этого мы должны добавить в нашу схему систему обратной связи, которая будет определять выходное напряжение и корректировать режим ШИМ, чтобы поддерживать то же желаемое значение.

3.2 Обратная связь

Добавим обратную связь в нашу схему. Как вы можете видеть на схеме ниже, у нас есть потенциометр, подключенный к аналоговому входу A0, как и раньше. С помощью этого потенциометра мы выберем желаемое выходное значение от 1 до 12 В, поскольку максимальное входное напряжение в этом случае составляет 12 В.На выходе схемы у нас теперь есть делитель напряжения, который снизит напряжение с 12 В до менее 5 В, потому что это максимальное входное напряжение АЦП Arduino. Ознакомьтесь с приведенной ниже формулой, чтобы понять, как работает делитель напряжения. Если вы подаете на вход более высокое напряжение, чем 12 В, вам следует изменить значения R1 и R2, чтобы всегда иметь напряжение ниже 5 В для АЦП.

В коде мы сравниваем эти два напряжения и увеличиваем или уменьшаем ширину ШИМ, чтобы поддерживать постоянный выход.Просто скопируйте и загрузите следующий код в Arduino для этого примера.
Подключите все, как показано на схеме выше, загрузите следующий код в свой Arduino и начните перемещать потенциометр. Наблюдайте за выходом на осциллографе.

Загрузите код ОБРАТНОЙ СВЯЗИ здесь:

Понижающий преобразователь LM2576T-ADJ, схема

С этим компонентом у нас есть обратная связь, и результат останется прежним при разных нагрузках. Просто выполните соединения, добавьте входной конденсатор, чтобы вход был стабильным, и все готово.

Входное напряжение может находиться в диапазоне от 5 до 55 вольт. Не подавайте более высокое напряжение, иначе вы можете сжечь компонент LM2576T-ADJ. В этом случае нам не нужен внешний переключатель, поскольку он уже находится внутри LM2576T-ADJ. Когда вывод обратной связи подключен к делителю выходного напряжения, LM2576T-ADJ будет изменять ширину импульса в зависимости от выходного сигнала, чтобы поддерживать ее постоянной. В этом случае используйте выпрямительный диод с барьером Шоттки, поскольку он имеет низкое прямое напряжение. Когда переключатель разомкнут, через этот диод будет протекать ток.

3,0 Схема понижающего преобразователя Таймер 555

Эта конфигурация 555 создаст сигнал ШИМ и подаст этот сигнал на затвор MOSFET. Схема работает нормально, но есть большая проблема. Выход изменится, если мы изменим выходную нагрузку, потому что схема не имеет обратной связи. Итак, мы будем использовать следующую схему для нашего понижающего преобразователя. Для создания сигнала ШИМ мы будем использовать таймер 555 с конфигурацией ШИМ. С помощью потенциометра P1 мы можем изменить рабочий цикл сигнала ШИМ и в то же время выходное значение.Для полевого МОП-транзистора вы можете использовать МОП-транзистор с каналом Р. IRF4905 P. Вы всегда можете попробовать разные значения индуктивности для катушки индуктивности и посмотреть результаты.

Входное напряжение может быть в диапазоне от 5 до 15 вольт. Не подавайте более высокое напряжение, иначе вы можете сжечь таймер 555. Подключите PWM (контакт 3 таймера 555) к затвору MOSFET (переключателю). Добавьте выходную нагрузку и проверьте схему. Вы можете получить выходное значение от 1 В до 15 В.

Повышающий преобразователь, страница:

Учебное пособие по понижающему преобразователю постоянного тока

Введение

Выключатель питания был ключом к практичным переключателям регуляторов.До изобретения переключателя питания с вертикальным металлооксидным полупроводником (VMOS) переключение источников питания, как правило, было непрактичным.

Основная функция индуктора – ограничивать скорость нарастания тока с помощью переключателя питания. Это действие ограничивает пиковый ток, который в противном случае ограничивался бы только сопротивлением переключателя. Ключевым преимуществом использования индуктора в импульсных регуляторах является то, что он накапливает энергию. Эта энергия может быть выражена в Джоулях как функция тока следующим образом:

E = ½ × L × I²

Линейный регулятор использует резистивное падение напряжения для регулирования напряжения, теряя мощность (падение напряжения, умноженное на ток) в виде тепла.Катушка индуктивности импульсного регулятора имеет падение напряжения и соответствующий ток, но ток сдвинут по фазе на 90 градусов с напряжением. Благодаря этому энергия сохраняется и может быть восстановлена ​​в фазе разряда цикла переключения. Это приводит к гораздо более высокой эффективности и меньшему тепловыделению.

Что такое импульсный регулятор?

Импульсный стабилизатор – это схема, в которой для передачи энергии от входа к выходу используется переключатель мощности, индуктор и диод.

Основные компоненты схемы переключения могут быть преобразованы в понижающий (понижающий) преобразователь, повышающий (повышающий) преобразователь или инвертор (обратный ход).Эти конструкции показаны на рисунках 1 , 2 , 3 и 4 соответственно, где рисунки 3 и 4 одинаковы, за исключением полярности трансформатора и диода. Схемы обратной связи и управления могут быть аккуратно вложены в эти схемы, чтобы регулировать передачу энергии и поддерживать постоянный выходной сигнал в нормальных рабочих условиях.

Рис. 1. Топология понижающего преобразователя.	Рисунок 2.Простой повышающий преобразователь.
Рисунок 3. Инвертирующая топология.	Рис. 4. Топология обратного хода трансформатора.

Зачем нужен импульсный регулятор?

Импульсные регуляторы имеют три основных преимущества по сравнению с линейными регуляторами. Во-первых, эффективность переключения может быть намного лучше. Во-вторых, поскольку при передаче теряется меньше энергии, требуются компоненты меньшего размера и меньшее тепловое управление.В-третьих, энергия, запасенная катушкой индуктивности в импульсном регуляторе, может быть преобразована в выходное напряжение, которое может быть больше, чем входное (повышающее), отрицательное (инвертор), или даже может передаваться через трансформатор для обеспечения гальванической развязки по отношению к вход (рисунок 4).

Учитывая преимущества импульсных регуляторов, можно задаться вопросом, где можно использовать линейные регуляторы? Линейные регуляторы обеспечивают более низкий уровень шума и более широкую полосу пропускания; их простота иногда может предложить менее дорогое решение.

Правда, у импульсных регуляторов есть свои недостатки. Они могут быть шумными и требуют управления энергопотреблением в виде контура управления. К счастью, решение этих проблем управления интегрировано в современные микросхемы контроллера переключения режимов.

Регуляторы повышения давления

Фаза зарядки

Базовая конфигурация наддува изображена на рис. 5 . Предполагая, что переключатель был разомкнут в течение длительного времени и что падение напряжения на диоде отрицательное, напряжение на конденсаторе равно входному напряжению.Когда переключатель замыкается, входное напряжение + V _IN подается на катушку индуктивности, и диод предотвращает разряд конденсатора + V _OUT на землю. Поскольку входное напряжение является постоянным, ток через катушку индуктивности линейно растет со временем со скоростью, пропорциональной входному напряжению, деленному на индуктивность.

Рис. 5. Фаза зарядки: когда переключатель замыкается, ток через катушку индуктивности нарастает.

Фаза разряда

На рисунке 6 показана фаза разряда.Когда переключатель снова размыкается, ток индуктивности продолжает течь в выпрямительный диод для зарядки выхода. По мере увеличения выходного напряжения наклон тока di / dt, хотя катушка индуктивности меняется на противоположную. Выходное напряжение повышается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие или:

V _L = L × di / dt

Другими словами, чем выше напряжение индуктора, тем быстрее падает ток индуктора.

Рисунок 6. Фаза разряда: при размыкании переключателя ток течет к нагрузке через выпрямительный диод.

В установившемся режиме работы среднее напряжение на катушке индуктивности за весь цикл переключения равно нулю. Это означает, что средний ток через катушку индуктивности также находится в установившемся состоянии. Это важное правило, регулирующее все топологии коммутации на основе катушек индуктивности. Сделав еще один шаг, мы можем установить, что для заданного времени заряда t _ON , заданного входного напряжения и при равновесной цепи существует определенное время разряда t _OFF для выходного напряжения.Поскольку среднее напряжение на катушке индуктивности в установившемся режиме должно быть равно нулю, мы можем рассчитать для цепи повышения:

V _IN × t _ON = t _OFF × V _L

И потому что:

V _ВЫХ = V _IN + V _L

Затем мы можем установить связь:

V _OUT = V _IN × (1 + t _ON / t _OFF )

Используя соотношение для рабочего цикла (D):

t _ВКЛ / (t _ВКЛ + t _ВЫКЛ ) = D

Затем для цепи повышения:

V _ВЫХ = V _IN / (1-D)

Аналогичные выводы можно сделать для понижающей схемы:

V _ВЫХ = V _IN × D

А для схемы инвертора (обратноходовой):

V _ВЫХ = V _IN × D / (1-D)

Методы управления

Из выводов для повышения, понижения и инвертора (обратного хода) можно видеть, что изменение рабочего цикла управляет установившимся выходом по отношению к входному напряжению.Это ключевая концепция, регулирующая все коммутационные цепи на основе индукторов.

ШИМ в режиме напряжения

Наиболее распространенный метод управления, показанный на рис. 7 , – это широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Этот метод берет пробу выходного напряжения и вычитает это от опорного напряжения, чтобы создать небольшую сигнал ошибки (V _ERROR ). Этот сигнал ошибки сравнивается с сигналом линейного изменения генератора. Компаратор выдает цифровой выход (ШИМ), который управляет переключателем питания.Когда напряжение на выходе схемы изменяется, V _ERROR также изменяется и, таким образом, вызывает изменение порогового значения компаратора. Следовательно, ширина выходного импульса (PWM) также изменяется. Это изменение рабочего цикла затем перемещает выходное напряжение, чтобы уменьшить сигнал ошибки до нуля, тем самым завершая контур управления.

Рис. 7. Сигнал переменной ошибки генерирует сигнал переключения с широтно-импульсной модуляцией.

На рисунке 8 показана практическая схема, использующая повышающую топологию, сформированную с помощью MAX1932.Эта ИС представляет собой интегрированный контроллер со встроенным программируемым цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). ЦАП устанавливает выходное напряжение в цифровом виде через последовательный канал. R5 и R8 образуют делитель, измеряющий выходное напряжение. R6 фактически отключен от цепи, когда напряжение ЦАП совпадает с опорным напряжением (1,25 В). Это связано с тем, что на R6 имеется нулевое напряжение и нулевой ток. Когда выход ЦАП равен нулю (земля), R6 фактически параллелен R8. Эти два условия соответствуют минимальному и максимальному диапазону регулировки выхода 40 В и 90 В соответственно.

Рис. 8. MAX1932 представляет собой интегральную схему повышения напряжения с управлением в режиме напряжения.

Далее, сигнал делителя вычитается из внутреннего эталона 1.25V и затем усиливается. Этот сигнал ошибки затем выводится на вывод 8 в качестве источника тока. Это вместе с парой дифференциальных входов образует усилитель крутизны. Такое расположение используется потому, что выход усилителя ошибки имеет высокий импеданс (источник тока), что позволяет регулировать усиление схемы путем изменения R7 и C4.Эта компоновка также дает возможность обрезать усиление контура для получения приемлемого запаса устойчивости. Затем сигнал ошибки на контакте 8 направляется в компаратор и выводится для включения переключателя питания. R1 – это токоизмерительный резистор, который измеряет выходной ток. Когда ток недопустимо высок, схема ШИМ отключается, тем самым защищая схему.

Тип переключения (топология) на рисунках 7 и 8 классифицируется как контроллер режима напряжения (VMC), поскольку обратная связь регулирует выходное напряжение.Для анализа мы можем предположить, что если коэффициент усиления контура бесконечен, выходное сопротивление для идеального источника напряжения равно нулю.

Токовый режим ШИМ

Другой широко используемый тип управления – это управление в режиме тока (CMC). Этот метод регулирует выходной ток, и при бесконечном усилении контура выходной сигнал является источником с высоким импедансом. В CMC токовая петля вложена в более медленную петлю напряжения, как показано на рис. 9 ; рампа создается крутизной тока катушки индуктивности и сравнивается с сигналом ошибки.Таким образом, когда выходное напряжение проседает, CMC подает больший ток на нагрузку. Преимущество CMC – способность управлять током катушки индуктивности. В VMC ток индуктора не измеряется. Это становится проблемой, потому что катушка индуктивности вместе с конденсатором выходного фильтра образует резонансный резервуар, который может звенеть и даже вызывать колебания. Управление текущим режимом определяет ток катушки индуктивности для исправления несоответствий. Хотя это сложно сделать, тщательно подобранные компоненты компенсации могут эффективно подавить этот резонанс в VCM.

Рисунок 9. Широтно-импульсная модуляция в токовом режиме.

Повышающие регуляторы точки нагрузки (POL)

Схема на рис. 10 использует CMC с контроллером MAX668. Эта схема повышения аналогична рисункам 7 и 8, за исключением того, что резистор R1 определяет ток катушки индуктивности для CMC. R1 и некоторые внутренние компараторы обеспечивают ограничение тока. R5 в сочетании с C9 фильтрует шум переключения на резисторе считывания, чтобы предотвратить ложное срабатывание ограничения тока.Внутренний порог ограничения тока MAX668 является фиксированным; изменяя резистор R1, регулируется уставка ограничения тока. Резистор R2 устанавливает рабочую частоту. MAX668 – это универсальная интегральная схема, которая может обеспечивать широкий диапазон преобразований постоянного тока в постоянный.

Внешние компоненты MAX668 могут иметь высокое напряжение, что обеспечивает большую гибкость для приложений с большой мощностью.

Рис. 10. MAX668 для схемы повышения с управлением по току.

Для портативных устройств с низким входным напряжением, требующих меньшей мощности, рекомендуются MAX1760 и MAX8627 (выходной ток 1A).Эти последние устройства используют внутренние полевые транзисторы и измеряют ток, используя сопротивление полевых транзисторов для измерения тока катушки индуктивности (чувствительный резистор не требуется).

Преобразователь nanoPower Boost

Повышающие преобразователи

широко используются в бытовой электронике для повышения и стабилизации проседания напряжения литий-ионных батарей под нагрузкой. Новым и растущим потребительским рынком является Интернет вещей (IoT), «облачная» сеть беспроводных взаимосвязанных устройств, которые часто включают аудио, видео, приложения для умного дома и носимые устройства.Тенденция к Интернету вещей в сочетании с зеленой энергией (стремление к сокращению потерь энергии и переходу к возобновляемым формам производства энергии) требует, чтобы небольшие устройства работали автономно в течение длительных периодов времени при небольшом потреблении энергии. Синхронный повышающий преобразователь MAX17222 nanoPower отвечает всем требованиям. MAX17222 предлагает входной диапазон от 400 мВ до 5,5 В, ограничение пикового тока катушки индуктивности 0,5 А и выходное напряжение, которое выбирается с помощью одного стандартного резистора 1%. Новый режим True Shutdown ^™ обеспечивает токи утечки в диапазоне наноампер, что делает это устройство поистине наноэнергетическим!

На рисунке 11 показаны основные элементы MAX17222 в отношении токов отключения и покоя.

Рисунок 11. MAX17222 Токи отключения и покоя

Функция True Shutdown отключает выход от входа без прямого или обратного тока, что приводит к очень низкому току утечки. Входной ток покоя (I _QINT ) для MAX17222 составляет 0,5 нА (разрешить открытие после запуска), а выходной ток покоя (I _QOUT ) составляет 300 нА.

Понижающие регуляторы

На рис. 12 показана упрощенная версия архитектуры Maxim Quick-PWM ™.Чтобы проанализировать эту понижающую схему, мы начнем с сигнала обратной связи ниже регулирующего порога, определенного эталоном. Если ошибок прямого тока нет, то однократный таймер t _ON , который вычисляет время включения для DH, включается немедленно вместе с DH. Этот расчет t _ON основан на делении выходного напряжения на входное, что приблизительно соответствует времени включения, необходимому для поддержания фиксированной частоты переключения, определяемой константой K. По истечении времени таймера однократного включения t _ON DH выключен, а DL включен.Затем, если напряжение все еще ниже порога регулирования, DH немедленно включается. Это позволяет току индуктора быстро нарастать в соответствии с требованиями нагрузки. После достижения равновесия с нагрузкой среднее напряжение катушки индуктивности должно быть равно нулю. Поэтому мы рассчитываем:

Рис. 12. Упрощенная блок-схема управления Maxim Quick-PWM.

t _ON × (V _IN – V _OUT ) = t _OFF × V _OUT

Перестановка:

V _OUT / (V _IN – V _OUT ) = t _ON / t _OFF

Добавление 1 к обеим сторонам и сбор условий:

V _OUT / V _IN = t _ON / (t _ON + t _OFF )

Поскольку коэффициент заполнения равен D:

t _ВКЛ / (t _ВКЛ + t _ВЫКЛ ) = D

Для понижающей схемы:

D = V _ВЫХ / V _IN

Запатентованный компанией Maxim метод управления Quick-PWM имеет некоторые преимущества перед PWM.Управление Quick-PWM генерирует новый цикл, когда выходное напряжение падает ниже порога регулирования. Следовательно, тяжелые переходные процессы вынуждают выходную мощность падать, немедленно запуская новый цикл. Это действие приводит к ответу на скачок нагрузки 100 нс. Также важно отметить, что в отличие от понижающей схемы на рисунке 1, на рисунке 12 для разрядного тракта вместо диода используется полевой МОП-транзистор (Q2). Такая конструкция снижает потери, связанные с падением на диоде; сопротивление в открытом состоянии канала MOSFET удваивается как измерение тока.Поскольку для стимулирования схемы к переключению требуются пульсации выходного напряжения, для поддержания стабильности требуется конденсатор выходного фильтра с некоторым ESR. Архитектура Quick-PWM также может быстро реагировать на изменения линейного входа, напрямую подавая сигнал входного напряжения на вычислитель времени включения. Другие методы должны подождать, пока выходное напряжение не упадет или не взлетит, прежде чем предпринимать какие-либо действия, а это часто бывает слишком поздно.

Контроллер понижающего блока питания памяти DDR

Практическое применение Quick-PWM можно найти на рис. 13 .MAX8632 – это встроенный блок питания памяти DDR. Наряду с понижающей схемой Quick-PWM (VDDQ), MAX8632 объединяет высокоскоростной линейный стабилизатор (VTT) для управления переходными процессами шины, присутствующими в системах памяти DDR. Линейный регулятор имеет определенные преимущества перед переключателями: линейные регуляторы не имеют индуктора для ограничения скорости нарастания тока, поэтому очень быстрая скорость нарастания тока может обслуживать переходные процессы нагрузки. Для более медленных схем потребуются конденсаторы большой емкости для обеспечения тока нагрузки до тех пор, пока источник питания не сможет нарастить ток для обслуживания нагрузки.

Более подробное изображение (PDF, 76kB)
Рис. 13. MAX8632 использует архитектуру Quick-PWM от Maxim и линейный регулятор для обеспечения полной системы питания DDR. Устройство может использоваться как основной графический процессор или как стандартный источник питания базовой логики.

Эффективность

Один из самых больших факторов потерь мощности для коммутаторов – это выпрямительный диод. Рассеиваемая мощность – это просто прямое падение напряжения, умноженное на протекающий через него ток.Обратное восстановление кремниевых диодов также может привести к потерям. Эти потери мощности снижают общую эффективность и требуют управления температурой в виде радиатора или вентилятора.

Чтобы свести к минимуму эти потери, в импульсных регуляторах можно использовать диоды Шоттки, которые имеют относительно низкое падение прямого напряжения и хорошее обратное восстановление. Однако для максимальной эффективности вы можете использовать переключатель MOSFET вместо диода. Эта конструкция известна как «синхронный выпрямитель» (см. рисунки 12, 13 и 14 ).Выключатель синхронного выпрямителя разомкнут, когда главный выключатель замкнут, и то же самое верно и наоборот. Для предотвращения перекрестной проводимости (и верхний, и нижний переключатели включены одновременно) схема переключения должна быть прерывистой перед включением. По этой причине диод по-прежнему должен работать в течение интервала между размыканием главного переключателя и замыканием переключателя синхронного выпрямителя (мертвое время). Когда полевой МОП-транзистор используется в качестве синхронного переключателя, ток обычно течет в обратном направлении (исток – сток), и это позволяет встроенному корпусному диоду проводить ток в течение мертвого времени.Когда переключатель синхронного выпрямителя замыкается, ток течет через канал MOSFET. Из-за очень низкого сопротивления канала для силовых MOSFET стандартное прямое падение выпрямительного диода может быть уменьшено до нескольких милливольт. Синхронное выпрямление может обеспечить КПД значительно выше 90%.

Рисунок 14. Синхронное выпрямление для понижающей цепи. Обратите внимание на встроенный диод в корпусе MOSFET.

Режим пропуска повышает эффективность легкой нагрузки

Функция, предлагаемая во многих современных контроллерах переключения, – это режим пропуска.Режим пропуска позволяет регулятору пропускать циклы, когда они не нужны, что значительно повышает эффективность при малых нагрузках. Для стандартной понижающей схемы (рис. 1) с выпрямительным диодом отказ от инициирования нового цикла просто позволяет току индуктора или энергии индуктора разрядиться до нуля. В этот момент диод блокирует любой обратный ток через индуктивность, и напряжение на катушке индуктивности падает до нуля. Это называется «прерывистый режим» и показан на Рис. 15 . В режиме пропуска новый цикл инициируется, когда выходное напряжение падает ниже порога регулирования.В режиме пропуска и прерывистой работе частота коммутации пропорциональна току нагрузки. С синхронным выпрямителем, к сожалению, несколько сложнее. Это связано с тем, что ток катушки индуктивности может измениться в переключателе MOSFET, если затвор остается включенным. MAX8632 включает в себя компаратор, который определяет, когда ток через катушку индуктивности меняет направление, и размыкает переключатель, позволяя внутреннему диоду полевого МОП-транзистора блокировать обратный ток.

Рисунок 15.В прерывистом режиме индуктор полностью разряжается, а затем напряжение на индукторе остается на нуле.

Рисунок 16 показывает, что режим пропуска обеспечивает повышенную эффективность при малой нагрузке, но за счет шума, поскольку частота переключения не фиксирована. Техника управления с принудительной ШИМ поддерживает постоянную частоту переключения и изменяет отношение цикла заряда к циклу разряда при изменении рабочих параметров. Поскольку частота переключения фиксирована, спектр шума относительно узок, что позволяет использовать простые методы фильтрации нижних частот или режекторного фильтра для значительного снижения напряжения пульсаций от пика к пику.Поскольку шум может быть помещен в менее чувствительную полосу частот, ШИМ популярен в телекоммуникационных и других приложениях, где шумовые помехи являются проблемой.

Рис. 16. Эффективность с режимом пропуска и без него.

Понижающий преобразователь точки нагрузки высокой мощности

Переключатели питания MOSFET теперь интегрированы с контроллерами, образуя однокристальные решения, такие как схема MAX1945, показанная на рис. 17 , . У этого чипа есть металлическая заглушка на нижней стороне, которая отводит тепло от кристалла, поэтому 28-контактный корпус TSSOP может рассеивать более 1 Вт, позволяя схеме подавать более 10 Вт на свою нагрузку.При частоте коммутации 1 МГц размер выходной катушки индуктивности и конденсаторов фильтра можно уменьшить, что дополнительно сэкономит ценное пространство и количество компонентов. По мере того, как технологии переключения мощности MOSFET продолжают совершенствоваться, производительность в режиме переключения будет расти, что еще больше снизит стоимость, размер и проблемы управления температурным режимом.

Рис. 17. MAX1945 – это внутреннее коммутирующее устройство на 6 А с уменьшенным количеством деталей и небольшой занимаемой площадью для экономии места на плате.

Понижающий преобразователь POL с низким энергопотреблением

Высокоэффективные понижающие (понижающие) преобразователи MAX1836 / MAX1837 имеют предустановку 3.Выходное напряжение 3 В или 5 В при напряжении питания до 24 В. Используя внешние резисторы обратной связи, выходное напряжение можно регулировать от 1,25 В до VIN. Внутренний переключающийся полевой МОП-транзистор с ограничением тока обеспечивает ток нагрузки до 125 мА (MAX1836) или 250 мА (MAX1837). Уникальная схема управления с ограничением тока, работающая с рабочими циклами до 100%, сводит к минимуму падение напряжения (120 мВ при 100 мА). Кроме того, эта схема управления снижает ток питания при легких нагрузках до 12 мкА. Высокие частоты переключения позволяют использовать крошечные катушки индуктивности и выходные конденсаторы для поверхностного монтажа.Понижающие преобразователи MAX1836 / MAX1837 с внутренними переключаемыми полевыми МОП-транзисторами доступны в 6-контактных корпусах SOT23 и 3 мм x 3 мм TDFN, что делает их идеальными для недорогих, маломощных и компактных приложений.

Понижающий преобразователь nanoPower

MAX3864xA / B – это семейство nanoPower сверхмалых понижающих (понижающих) DC-DC преобразователей 330 нА, работающих от 1,8 В до 5,5 В на входе и поддерживающих токи нагрузки до 175 мА, 350 мА, 700 мА с повышенным пиковым КПД. до 96%. В выключенном состоянии ток выключения составляет всего 5 нА.Устройства обеспечивают сверхнизкий ток покоя, малый общий размер решения и высокую эффективность во всем диапазоне нагрузок. MAX3864xA / B идеально подходят для аккумуляторных приложений, где длительное время автономной работы является обязательным. Семейство MAX3864xA / B использует уникальную схему управления, которая обеспечивает сверхнизкий ток покоя и высокую эффективность в широком диапазоне выходного тока. Устройства MAX3864xA / B предлагаются в компактном 6-контактном корпусе на уровне пластины (WLP) 1,42 мм x 0,89 мм (2x 3 выступа, шаг 0,4 мм), а также в 6-контактном корпусе μDFN 2 мм x 2 мм. .

Сводка

Хотя методы переключения сложнее реализовать, коммутационные схемы почти полностью заменили линейные источники питания в широком диапазоне портативных и стационарных конструкций. Это связано с тем, что схемы переключения обеспечивают более высокую эффективность, меньшие размеры компонентов и меньше проблем с терморегулированием.

Цепь преобразователя 12 В в 5 В – повышающие и понижающие преобразователи

Цепь преобразователя 12 В в 5 В – понижающее преобразование постоянного / постоянного тока

У нас всегда нет под рукой аккумуляторной батареи 5 В, и иногда нам нужно более высокое и более низкое напряжение в одновременно управлять разными частями одной цепи.Чтобы решить эту проблему, мы используем более высокое напряжение, которым в нашем случае является аккумулятор 12 В в качестве основного источника питания, и понижаем это напряжение, чтобы получить более низкое напряжение, скажем, 5 В там, где это необходимо. Для этого во многих электронных устройствах и приложениях используется цепь BUCK CONVERTER, которая понижает напряжение в соответствии с требованиями нагрузки.

Сначала расскажу о преобразователях. В целом, существует три типа преобразователей, первый из которых представляет собой понижающий преобразователь, который понижает напряжение от более высокого напряжения источника.Во-вторых, повышающий преобразователь, который увеличивает напряжение от более низкого напряжения источника. Кроме того, есть еще один преобразователь, который представляет собой комбинацию этих двух преобразователей в той или иной форме, более популярным является преобразователь Buck-Boost, который сначала снижает напряжение, а затем повышает его до требуемого значения. Я постараюсь подробно рассказать о каждом из вышеупомянутых преобразователей, чтобы понимание предстоящей схемы имело больше смысла.

Что такое понижающий преобразователь?

Понижающий преобразователь (также известный как понижающий преобразователь) – это преобразователь постоянного тока , который понижает напряжение от входа к выходу.Понижающий преобразователь достигает своей выходной мощности с помощью полупроводниковых переключающих устройств, которые обычно представляют собой диоды и транзисторы, расположенные в определенном порядке, и каждый из них переключается в определенное время, чтобы в конечном итоге получить требуемый выходной сигнал. Понижающие преобразователи могут быть очень эффективными, иногда до 90%.

Базовая схема понижающего преобразователя состоит из переключающего транзистора вместе со схемой маховика. Когда транзистор находится во включенном состоянии, ток проходит через нагрузку через катушку индуктивности.Индуктор противодействует изменениям направления тока, также сохраняя при этом энергию. Диод, подключенный параллельно нагрузке, теперь не работает, так как он находится в режиме обратного смещения.

Ток, протекающий в цепи, также заряжает конденсатор. Теперь, когда транзистор выключен, заряженный конденсатор и катушка индуктивности подают напряжение на нагрузку из-за обратной ЭДС. теперь, когда в цепи нет источника напряжения. Энергии, накопленной в катушке индуктивности, достаточно, по крайней мере, на часть времени, в течение которого переключатель разомкнут.Если время, в течение которого переключатель остается включенным и выключенным, изменяется, он, в свою очередь, изменяет выходное напряжение постоянного тока между 0 В и _{В в} .

На схеме ниже показана простая операция понижающего преобразователя.

Что такое повышающий преобразователь?

Подобно понижающему преобразователю, повышающий преобразователь (также известный как повышающий преобразователь) также относится к классу импульсных преобразователей источника питания. Но работа повышающего преобразователя прямо противоположна работе понижающего преобразователя.Понижающий преобразователь понижает напряжение от более высокого значения питания до требуемого значения, тогда как повышающий преобразователь увеличивает напряжение от более низкого значения питания.

Основной принцип повышающего преобразователя состоит из двух различных состояний. В первом состоянии состояние ВКЛ – это когда индуктор, подключенный к стороне источника, заряжается, когда переключатель находится в положении ВКЛ. Затем, когда переключатель находится в положении ВЫКЛ, единственный путь, по которому протекает ток катушки индуктивности, – это обратный диод, конденсатор и нагрузка.Это приводит к передаче энергии, которая была накоплена во включенном состоянии, в конденсатор. Если переключение переключателя происходит довольно быстро, индуктор не будет полностью разряжаться между состояниями зарядки. Следовательно, напряжение на нагрузке всегда будет больше, чем напряжение источника входного сигнала, когда переключатель находится в положении ВЫКЛ.

На схеме ниже показана простая операция повышающего преобразователя.

Понижающий-повышающий преобразователь

Понижающий-повышающий преобразователь – это тип преобразователя постоянного тока в постоянный.Он имеет большее или меньшее значение выходного напряжения, чем значение входного напряжения.

Инвертирующий повышающий преобразователь, работающий по очень простому принципу. Во включенном состоянии работа аналогична работе повышающего преобразователя, в котором катушка индуктивности накапливает энергию. Конденсатор подает энергию на нагрузку в это время, чтобы подключиться к нагрузке. В выключенном состоянии катушка индуктивности подключена к выходной нагрузке и конденсатору, поэтому энергия, запасенная в катушке индуктивности, передается конденсатору и нагрузке.Конденсатор за это время заряжается.

Похожие сообщения:

Простая диаграмма ниже показывает принцип работы понижающего-повышающего преобразователя.

Теперь есть много способов получить наш требуемый BUCK CONVERTER, но мы используем самый популярный импульсный стабилизатор, доступный в этом сегменте, используя IC MC34063. Другой популярный метод – использование схемы полевых МОП-транзисторов, переключаемых по фиксированной схеме.

Необходимые компоненты

1. Импульсный стабилизатор MC34063 IC
2. 1N5819 диод Шоттки
3. 2к резистора
4. 6.Резисторы 2 кОм
5. Резисторы 26 Ом
6. Катушка индуктивности 62 мкГн, 1,5 А
7. 100 мкФ, 25 В и 359 мкФ, конденсатор 25 В
8. Керамические дисковые конденсаторы 428 пФ
9. Блок питания 12 В с номиналом 1,5 А
10. IC

    51

MC34063

MC34063 – это монолитная схема управления, имеющая все функции, необходимые для создания преобразователей постоянного тока в постоянный. Он состоит из нескольких функций, включая компаратор, генератор, переключатель сильноточного выхода и ограничение активного пикового тока.MC34063 доступен в корпусах DIP, SOIC и SON. В каждом по восемь контактов. Таблица которых приведена ниже.

1 909 56 Коллектор драйвера

MC34063 Распиновка
Номер контакта	Имя контакта	Описание
1	Вход коллектора переключателя	Коллектор высокого тока 9048 2	Switch Emitter	Сильноточный вход внутреннего переключателя-эмиттера
3	Конденсатор времени	Присоединение конденсатора времени к переменной частоте коммутации
4	Заземление
5	Инвертирующий вход компаратора	Подключите резистивный делитель цепи для создания контура обратной связи
6	Напряжение (Vcc)	Напряжение питания логики
7		Вход датчика ограничения тока
8	Вход коллектора управляющего транзистора по паре Дарлингтона

Вот некоторые из характеристик IC MC34063 : Переключатель вывода драйвера

Принимает 3.От 0 В до 40,0 В постоянного тока

Может работать при частоте переключения 100 кГц с допуском 2%

Очень низкий ток в режиме ожидания

Регулируемое выходное напряжение

Кроме того, эта ИС широко доступна, и она намного более экономична, чем другие ИС, доступные в этом сегменте. Вот почему мы собираемся использовать эту микросхему для нашей схемы.

Распиновка MC34063 приведена ниже.

Есть много приложений, связанных с MC34063, некоторые из них – человеко-машинный интерфейс (HMI), портативное устройство, измерение и тестирование, анализатор газов и крови, вычисления, телекоммуникации, кабельные решения и т. Д.

1N5819

1N5819 – это силовой диод металл-кремний, также называемый выпрямителем Шоттки, в котором применяется принцип барьера Шоттки. Он в основном используется в качестве выпрямителей в высокочастотных инверторах низкого напряжения, диодах защиты полярности и диодах свободного хода. Его также называют диодом с поверхностным барьером, диодом с горячими электронами или диодом с горячими носителями. Он немного отличается от обычных диодов с PN переходом, в которых металл, такой как платина или алюминий, используется вместо полупроводника P-типа.В диоде Шоттки полупроводник и металл соединяются, образуя переход металл-полупроводник, где полупроводниковая сторона действует как катод, а металлическая сторона действует как анод. Когда между металлом и полупроводниками образуется переход металл-полупроводник, они приводят к образованию обедненного слоя, также называемого барьером Шоттки.

Schottky имеет низкий уровень накопленного заряда, меньшие потери мощности и более высокие механические характеристики КПД. Он изготовлен таким образом, что все внешние поверхности устойчивы к коррозии, а клеммы легко паяются, когда ток течет только в одном направлении, и останавливает ток в другом направлении.Падение мощности, которое происходит в этом диоде, меньше, чем в диодах с PN переходом. Когда напряжение подается на клеммы диода, начинает течь ток, что приводит к небольшому падению напряжения на клеммах. Более низкие падения напряжения приводят к более высокой эффективности и более высокой скорости переключения.

На приведенной выше принципиальной схеме показан электрический символ диода Шоттки.

Схема цепей 12В – 5В

На приведенной выше принципиальной схеме показана схема вместе со всеми расчетными значениями для нашей требуемой операции.

Работа цепи от 12 В до 5 В

Правильно подключите цепь, как показано на принципиальной схеме. Сначала для питания этого чипа мы подключаем + V к контакту 6, а контакт 4 – к земле. Заодно подключаем конденсатор CIN для фильтрации лишних шумов от блока питания. Контакт 3 подключен к трансформатору тока, который определяет скорость переключения схемы. Вывод 5 – инвертирующий вывод компаратора. Напряжение неинвертирующего терминала составляет 1,25 В от внутреннего регулятора напряжения.К инвертирующему выводу подключаем цепь резисторов, состоящую из двух резисторов. Они определяют коэффициент усиления компаратора операционного усилителя. Таким образом, мы делаем понижающий преобразователь, который теперь понижает наш вход с 12 В постоянного тока до 5 В постоянного тока.

Приложения

В нашей повседневной жизни есть множество приложений, которые требуют только низковольтных входов. Им также требуется регулируемое напряжение 5 В для безопасности. Например, зарядные устройства, модули Wi-Fi, модули Arduino и так далее. Вышеупомянутая схема удовлетворяет входные потребности всех вышеупомянутых и многих других приложений.

Связанные проекты:

Изолированные и неизолированные преобразователи мощности

В чем разница между изолированными и неизолированными источниками питания?

Короче говоря, изолированный силовой преобразователь изолирует вход от выхода, электрически и физически разделяя цепь на две части, предотвращающие прохождение постоянного тока между входом и выходом, что обычно достигается с помощью трансформатора. А неизолированный преобразователь мощности имеет единственную цепь, в которой ток может течь между входом и выходом.Для тех, кто не При знакомстве с источниками питания возникают дополнительные вопросы: каковы преимущества изолированных источников питания по сравнению с неизолированными? И как мне узнать, какой из них мне нужен для моего приложения?

Основы изоляции

Гальваническая развязка (обычно упрощенная до простой изоляции) – это физическое и электрическое разделение между одной частью схема и другое. Результатом изоляции является то, что каждая из изолированных цепей имеет свой собственный возврат или заземление.В неизолированном преобразователе, как показано в левой части рисунка 1, вход и выход имеют общую землю и ток. может течь между ними. Однако в изолированном преобразователе, как показано в правой части рисунка 1, вход и выход возвращаются. к их собственному независимому заземлению, и нет пути для постоянного тока от одного к другому.

Рисунок 1: Неизолированный понижающий преобразователь (слева), изолированный обратноходовой преобразователь (справа)

Несмотря на то, что ток не может течь между входом и выходом в изолированных преобразователях, питание и информация по-прежнему должны передаваться с одной стороны на другую.Есть несколько способов сделать это, но преобразователи мощности обычно полагаться на двоих; мощность передается через электромагнитные поля с помощью трансформаторов или связанных катушек индуктивности, и сигналы пересекаются изоляция с помощью сигнальных трансформаторов или оптически через оптоизоляторы.

Изоляция не абсолютна. При достаточно высоком напряжении изоляция выйдет из строя и потечет ток. Таблицы данных будут обычно указывается напряжение изоляции, то есть напряжение, которое может быть приложено к изоляции в течение короткого времени без текущий течет.Номинал изоляции не следует путать с рабочим напряжением, которое является максимальным напряжением, которое может быть применяется непрерывно через изоляцию без нарушения изоляции.

Плагин

!

Будьте в курсе последних продуктов CUI, технических ресурсов и инструментов.

Преимущества изоляции

Есть несколько случаев, когда может потребоваться изолированный источник питания или он может дать некоторые преимущества в приложении. Они включают соблюдение требований безопасности, разрыв контуров заземления и смещение уровня.

Соответствие требованиям безопасности

Требования безопасности – частая причина использования изолированного преобразователя мощности. Для преобразователей с высоким питанием и потенциально Изоляция опасного напряжения (например, преобразователи переменного тока в постоянный, питаемые от сети переменного тока) отделяет выход от опасных напряжений на Вход.

Когда важна безопасность, следует также учитывать степень изоляции. Стандарты безопасности следует пересмотреть, чтобы определить, что уровень изоляции требуется для данного применения.Класс изоляции делится на несколько категорий, в том числе: функциональные, базовые, дополнительные и усиленные.

• Функциональная изоляция: является наиболее простой и, хотя и обеспечивает изоляцию, не обеспечивает никакой защиты от поражения электрическим током.
• Основная изоляция: обеспечивает однослойную защиту от ударов.
• Дополнительная изоляция: – это основная изоляция плюс один дополнительный барьер для резервирования.
• Усиленная изоляция: представляет собой одинарный барьер, эквивалентный двум слоям основного.

Разрыв заземления

Поскольку вход и выход изолированных источников питания не имеют общего заземления, их можно использовать для размыкания контуров заземления. Цепи, чувствительные к шуму, могут извлечь выгоду из этого, если их заземление будет разорвано и отделено от шумных цепей. это могло вызвать проблемы.

Плавающие выходы и смещение уровня

Еще одно преимущество изолированных преобразователей – это плавающий выход.Изолированные выходы при фиксированном напряжении между выходами клеммы, не имеют определенного или фиксированного напряжения относительно узлов напряжения в цепях, от которых они были изолированы, и считаются плавающими. Однако у плавающего выхода один из выводов может быть подключен к другому узлу схемы, чтобы зафиксировать его. к этому напряжению. Этот факт можно использовать для смещения или инвертирования выхода относительно другой точки в цепи.

Например, на рисунке 2 показано, как подключение клеммы + Vout к клемме входного заземления приведет к понижению выходной массы. ниже уровня земли на входе на величину, равную Vout.Перед тем, как сделать это соединение, напряжение между Vin и Vout не было определено, эта связь теперь обеспечивает общий потенциал, с которым теперь связана каждая сторона.

Рисунок 2: Инвертирующее соединение

При подключении выходной клеммы заземления к клемме + Vin, как показано на рисунке 3, клемма + Vout будет равна (Vin + Vout) относительно входной земли. И в этом, и в предыдущем случае изоляция от входа к выходу была потеряна, поскольку обе стороны теперь имеют прямую связь.

Рисунок 3: Дополнительная конфигурация

Несколько изолированных преобразователей с плавающими выходами также могут быть подключены последовательно для увеличения выходного напряжения или создания +/- рельсы, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: +/- шины, созданные с использованием двух изолированных одиночных выходов

Следует позаботиться о том, чтобы выходы были действительно плавающими. Например, если выходные клеммы заземления двух изолированных преобразователи были подключены к шасси, они больше не были бы плавающими относительно друг друга, и если бы выходы были при последовательном подключении это приведет к короткому замыканию в одном из преобразователей, так как обе клеммы будут подключены к шасси.В Преобразователи переменного тока в постоянный иногда случается, что выходной вывод заземления соединен с землей, что означает, что он больше не плавающий, хоть и изолированный.

Преимущества неизолированного

Несмотря на то, что изоляция имеет много преимуществ, есть также причины использовать неизолированный преобразователь, включая стоимость, размер и представление.

Экономия затрат

Изолированные преобразователи обычно дороже неизолированных.Основной причиной разницы в стоимости является использование трансформатор вместо индуктора. Трансформаторы, как правило, изготавливаются по индивидуальному заказу, в отличие от катушки индуктивности в неизолированном преобразователе. которые можно купить с полки. Если требуется более высокий уровень изоляции (например, необходимый для обеспечения безопасности), стоимость будет в дальнейшем увеличиваться. Помимо трансформатора, есть компоненты, такие как оптопары, которые могут быть добавлены к изолированный дизайн, который не был бы необходим в неизолированном.Все это увеличивает стоимость по сравнению с неизолированным дизайн.

Меньший размер

Неизолированные преобразователи обычно меньше изолированных. Компоненты, увеличивающие стоимость, упомянутые ранее, занимают больше пространство, чем те, которые используются в неизолированной конструкции. В дополнение к замене трансформатора на индуктор, неизолированные преобразователи, как правило, работают на более высоких частотах переключения, что еще больше уменьшает размер магнитных компонентов и конденсаторов.

КПД

Эффективность и регулирование неизолированных преобразователей также обычно лучше, чем у изолированного преобразователя. В трансформатор и оптопары снова вносят основной вклад в разницу в характеристиках. Отсутствие изолирующего барьера позволяет напрямую определять и точно контролировать выходной сигнал для лучшего регулирования и переходных характеристик. Их маленькие размер также позволяет размещать их ближе к нагрузке, чтобы уменьшить влияние линии передачи.

Заключение

Выбор между изолированными и неизолированными преобразователями зависит от многих факторов. Некоторые приложения требуют изоляции для безопасности по причинам, и другие могут получить выгоду от плавающего выхода за счет разрыва контуров заземления или сдвига опорных напряжений. Тем не мение, там, где изоляция не требуется, неизолированный преобразователь может обеспечить снижение стоимости, размера и / или повышение эффективности. Понимание затрат и преимуществ изоляции важно при выборе правильного преобразователя для оптимизированной конструкции.

Категории: Основы , Выбор продукта

Дополнительные ресурсы

---

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog @ cui.