Импульсные преобразователи напряжения схемы: Импульсные преобразователи напряжения

Импульсные преобразователи напряжения

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “Радиолюбитель“ мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Вторая схема.
Стабилизированный транзисторный преобразователь напряжения:
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Третья схема.
Нестабилизированный преобразователь напряжения на основе мультивибратора:
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания:
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Девятая схема.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме фирмы TEXAS:
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Десятая схема.
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме фирмы MAXIM:
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.

Одиннадцатая схема.

Два изолированных преобразователя на микросхемах фирмы YCL Elektronics:
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Двенадцатая схема.
Двухполярный стабилизированный преобразователь напряжения на микросхеме фирмы National Semiconductor:
Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 – 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной – 1:2.5.

Тринадцатая схема.
Стабилизированный повышающий преобразователь на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.

Четырнадцатая схема
Нестандартное применение микросхемы фирмы MAXIM:

Эта микросхема обычно служит драйвером RS-232. Умножение напряжения получается с коэффициентом 1,6…1,8.

---

Подборка схем импульсных преобразователей напряжения DC-DC

Преобразователь DC-DC это устройство, призванное из напряжения одного уровня получить одно или несколько напряжений другого уровня. Иногда это бывает совершенно необходимо в нашей практике, например если мы конструируем устройство с низковольтным питанием от Li-Ion аккумулятора а в схеме этого устройства есть операционные усилители, требующие питания от двухполярного источника ∓15В. Или другой пример. Предположим нам нужно питать устройство на микроконтроллере с номинальным напряжением 5 вольт от литий ионного аккумулятора. В этом и подобных случаях на разработчику приходится использовать преобразователи постоянного напряжения.

В этой статье речь пойдет об импульсных преобразователях, имеющих очевидные преимущества, главное из которых — высокий КПД. Импульсные преобразователи нпаряжения — это очень широкий класс устройств. Они могут быть стабилизированные или нестабилизированные, с гальванической развязкой входа от выхода или без таковой. также преобразователи можно разделить на повышающие, понижающие и инвертирующие (например преобразователь, который, питаясь от напряжения +5В дает на выходе напряжение -5В)

Сейчас производители электронных компонентов выпускают большой ряд специальных микросхем для использования в приложениях DC-DC. Преобразователи, собранные на таких чипах имеют стабильные характеристики и высокую надежность. тем не менее импульсный преобразователь можно собрать и на обычных дискретных транзисторах. В этой статье приводятся несколько очень простых схем, которые можно использовать для решения несложных конструкторских задач.

Очень распространенная микросхема MAX232 служит для преобразования интерфейса UART в сигналы стандарта интерфейса RS232. В составе этой микросхемы уже есть встроенные преобразователи напряжения, которые мы можем использовать в своих корыстных целях.

Схема 1. Необычное использование микросхемы MAX232

схема двухполярного преобразователя DC-DC на микросхеме MAX232

такой преобразователь может обеспечить напряжение ∓9В при небольшом токе 5..8 мА. Такой преобразователь можно использовать для питания одного — двух операционных усилителей. основное преимущество — это простота. Целесообразно применять эту схему если что-то нужно сделать быстро, а под рукой нет ничего кроме микросхемы MAX232

Схема 2. Простой нестабилизированный преобразователь на двух транзисторах

Трансформатор T1 — самодельный. Его можно намотать на ферритовом кольце из материала 2000НМ размером 10х6х4. первичная обмотка состоит из 20 витков с отводом от середины. Вторичная — 140 витков также с отводом от середины. Диаметр провода — не менее 0.2 мм. Транзисторы можно заменить на BC546 или другие. если к преобразователю не подключена нагрузка, он практически не потребляет ток от источника питания. В этом одно из его преимуществ (кроме простоты).

Схема 3. Простой нестабилизированный преобразователь — мультивибратор

Следующая практическая схема — это двухтактный преобразователь на четырех транзисторах. сердцем схемы является обычный мультивибратор на двух транзисторах VT1 и VT2

Драйверами для обмоток импульсного трансформатора служат транзисторы VT3 и VT4. Ко вторичной обмотке импульсного трансформатора подключен однополупериодный выпрямитель на диоде VD3. Пульсации выходного напряжения сглаживаются конденсатором C3. Выходное напряжение этого преобразователя можно менять в широких пределах изменением числа витков вторичной обмотки трансформатора.

Схема 4. Стабилизированный преобразователь на двух транзисторах

Интересная схема, позволяющая питать от низковольтного источника (например от одного щелочного элемента 1.5 В.) например, небольшое устройство на микроконтроллере, требующем питания 5 В. Схема пытается поддерживать на выходе постоянное напряжение около 4.7 В. Сигнал обратной связи снимается с резистора R2 и подается на базу первого транзистора VT1. трансформатор Т1 можно намотать на ферритовом кольце диаметром 7 мм. Обе обмотки одинаковые, по 20 витков провода диаметром 0.3 мм. Можно намотать обмотки в два провода. При подключении необходимо учитывать начало и конец обмоток. Если ошибиться, то преобразователь не заработает. В этом случае поменяйте местам провода одной из обмоток. Катушка L1 — любой дроссель с индуктивностью в районе 10 мкГн. Дроссель можно использовать промышленный или намотать самому. Измерить индуктивность можно с помощью вот этого недорогого прибора. Дроссель совместно с конденсатором C3 сглаживает пульсации выходного напряжения.

Схема 4. Стабилизированный 3 В. → 12 В. DC-DC преобразователь на MAX734

Этот довольно качественный и удобный преобразователь построен на основе специализированной микросхемы от компании MAXIM. Можно применить для получения напряжения +12 вольт в устройстве, работающем от единственного источника питания с напряжением от 3 до 5 вольт. Дроссель L1 можно намотать на небольшом ферритовом кольце или на маленьком ферритовом стержне. Индуктивность катушек удобно измерять вот этим приборчиком. Схема обеспечивает на выходе ток 120 мА. Микросхему MAX734 можно заказать здесь

Схема 5. Очень простой преобразователь на специализированном чипе

Еще один DC-DC преобразователь с использованием микросхемы от MAXIM. Главное преимущество — исключительная простота и неприхотливость этой схемы. В устройстве всего 4 детали, включая микросхему МАХ631. Главное и очевидное предназначение такого преобразователя — питание схемы, рассчитанной на 5 В. от источника с более низким напряжением 3.2 вольта. Например от одного Li-Ion аккумулятора.

Схема 6. Стабилизированный DC-DC преобразователь с двухполярным выходом ∓12 В

Эта очень полезная схема может пригодиться если в вашей конструкции есть только один источник питания 4..5 вольт, но вам необходимо использовать компоненты, требующие двухполярного питания. например операционные усилители (ОУ). Сердцем преобразователя является микросхема LM2587-12. Импульсный трансформатор можно реализовать на ферритовом кольце или на броневом сердечнике. Индуктивность первичной обмотки должна быть около 22 мкГ (измерить можно этим прибором), а отношение чисел витков первичной обмотки к вторичным = 1:2.5. То есть, например, индуктивность 22 мкГ на сердечнике который есть у вас в наличии получается при числе витков 50. Тогда число витков каждой из вторичных обмоток буде 2.5 * 50 = 125

Готовый DC-DC преобразователь на LM2587-12 можно заказать по ссылке

Схема 7. Стабилизированный DC-DC преобразователь на два разных напряжения

Если в вашей конструкции есть цифровые микросхемы с напряжением питания как 5 так и 3.3 В то может пригодиться этот преобразователь. Схема работает от напряжения в районе 3 В и позволяет получить на выходе напряжения 3.3 и 5 В. Ток нагрузки по каждому выходу может достигать 150 мА. Как видим из схемы, в устройстве применяются 2 микросхемы MCP1252 от компании MICROCHIP

Схема 8. DC-DC преобразователь на два разных напряжения на микросхемах компании YCL Elektronics

DC-DC преобразователи на разные напряжения можно собрать на чипах, которые выпускает компания YCL Elektronics. В данном случает это микросхемы DC-102R в канале минус 5 В и DC-203R в канале +12 В. По выходу -5 В ток нагрузки может достигать 360 мА. По выходу +12 В ток меньше — 150 мА.

Схема 9. DC-DC повышающий преобразователь на MAX1724EZK33

Этот DC-DC преобразователь на микросхеме MAX1724EZK33 от фирмы MAXIM может работать от очень низкого входного напряжения 1.2 В. Например от одного никель — кадмиевого аккумулятора. На выходе получаем стабилизированное напряжение +3.3 В при токе до 150 мА. Работоспособность сохраняется при снижении входного напряжения примерно до 0.9 В. Если вы ходите получить на выходе напряжение +5В то используйте аналогичную микросхему MAX1724EZK50

Схема 10. Импульсный регулируемый стабилизатор на напряжение +2.8 — +5 В

Это понижающий импульсный стабилизатор. работает он от входного напряжения 12.6 В (стандартное напряжение автомобильного аккумулятора). на выходе получаем стабилизированное напряжение от 2.8 до 5 вольт при токе до 500 мА. Стабилизатор собран на микросхеме TL497. Эту недорогую но полезную микросхему можно заказать в Китае. Очевидно, что главное назначение такого стабилизатора — обеспечение питания и зарядки пятивольтовых гаджетов от бортовой сети автомобиля напряжением 12.6 в. Подстроечным резистором R3 можно регулировать выходное напряжение а от номинала резистора R1 зависит порог срабатывания внутренней сземы ограничения тока короткого замыкания. Ток КЗ задается формулой:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Схема 11. Импульсный инвертор постоянного напряжения

Простейшая схема, которую вы можете использовать если в вашей конструкции кроме напряжения питания +5 В нужно еще отрицательное напряжение -5 В. Собрано устройство на микросхеме ICL7660. Ток по цепи -5 В может достигать 20 мА

Схема 12. Нестабилизированный двухступенчатый DC-DC преобразователь напряжения

Схема 13. Импульсный стабилизированный повышающий DC-DC преобразователь напряжения

Это стандартная схема включения MAX1674, взятая из даташита микросхемы. Преобразователь может работать от низкого напряжения питания — вплоть до 1 вольта. На выходе имеем стабильное напряжение +5В при токе до 200 мА. КПД преобразователя составляет 94%. Купить микросхему можно недорого в Китае

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.

Импульсные преобразователи напряжения переменного тока

Введение

Изменение величины напряжения переменного тока требуется в электромеханических системах автоматики, в электропитании и во многих других областях. Для этого традиционно применяют магнитные усилители, многообмоточные силовые трансформаторы с тиристорной коммутацией обмоток, различные тиристорные схемы, изменяющие величину напряжения за счет искажения формы синусоиды [1]. Указанные устройства отличаются неудовлетворительными массогабаритными показателями или не обеспечивают требуемые пределы и плавность регулирования, синусоидальную форму напряжения. Устройство, использующее автотрансформатор, управляемый двигателем, обладает плавностью регулирования напряжения и не искажает его форму, но громоздко, дорого и имеет низкое быстродействие.

Прогресс в силовой полупроводниковой технике привел к широкому распространению систем регулирования переменного напряжения по схеме «выпрямитель — широтно регулируемый инвертор». Возможность плавного регулирования амплитуды и частоты напряжения вызвала бурное развитие высококачественных регулируемых приводов переменного тока. Если же необходимо регулировать только величину переменного напряжения, эта схема становится экономически невыгодной. При питании от однофазной сети габариты указанной схемы существенно увеличивает фильтр выпрямленного напряжения. Другим существенным недостатком схемы «выпрямитель — широтно регулируемый инвертор» оказывается невозможность рекуперации энергии в сеть переменного тока в силу односторонней проводимости выпрямителя.

Известны импульсные преобразователи постоянного напряжения [2], принцип действия которых поясняют рис. 1-3. Ключ К переключается с высокой частотой/из положения 1 в положение 2. Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением относительной длительности пребывания ключа К в положении 1:γ

γ= τ/T = τf, T=1/f, 0< γ <1,      (1)

где τ — время нахождения ключа в положении 1 в течение периода переключений Т.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3

При известных допущениях средние значения выходных напряжений определяются соответственно выражениями [2]:

Современные силовые полевые транзисторы (MOSFET) и биполярный транзисторы типа IGBT допускают частоту переключений fв десятки и сотни килогерц при напряжениях в сотни вольт и токах в десятки и сотни ампер. Вследствие высокой частоты коммутации и малых потерь в транзисторных ключах массогабаритные и энергетические показатели преобразователей напряжения постоянного тока весьма высоки.

Очевидно, что при достаточно высокой частоте коммутации эти устройства могут преобразовывать и переменное напряжение, например, промышленной частоты. Разумеется, ключи К при этом должны проводить ток в обе стороны. Пример такого ключа на силовых полевых транзисторах представлен на рис. 4.

Рис. 4

Принцип работы импульсного преобразователя напряжения переменного тока проще пояснить на примере схемы рис. 1. Напряжение на выходе ключа К (точка «0») относительно общей точки схемы представляет собой последовательность импульсов с регулируемым параметром γ = τ/T, амплитуды которых модулированы синусоидой входного напряжения (рис. 5). Основная гармоника последовательности импульсов согласно (2) имеет амплитуду U_2m= γU_1m. Высшие же гармоники легко отфильтровываются фильтром из дросселя Др и конденсатора С, поскольку их частоты на два и более порядков выше частоты основной гармоники.

Рис. 5

Очевидно, что возможности современных полевых транзисторов MOSFET и биполярных транзисторов IGBT позволяют создавать импульсные преобразователи напряжения переменного тока промышленной частоты, имеющие широкую область применения в регуляторах и стабилизаторах переменного напряжения.

Первые попытки создания импульсных регуляторов и стабилизаторов напряжения переменного тока предпринимались еще в 60-х и 70-х годах прошлого века [3, 4]. Однако недостаточное быстродействие полупроводниковых приборов не позволяло достичь высоких показателей. Другим препятствием было почти полное отсутствие теоретического исследования подобных устройств. Если первое препятствие к настоящему времени практически снято, то второе во многом остается в силе.

Поэтому актуальна задача данной работы — познакомить читателей с результатами теоретического исследования установившихся режимов при синусоидальном входном напряжении в устройствах (рис. 1-3), называемых в дальнейшем импульсными преобразователями напряжения переменного тока, и принципами их использования в регуляторах и стабилизаторах переменного напряжения.

1. Основные результаты анализа установившегося режима импульсных преобразователей напряжения переменного  тока

В общем случае в n-м периоде переключений импульсный преобразователь напряжения описывается двумя различными векторно-матричными уравнениями:

где Х^т= [x₁, x₂, …., x_m]— вектор фазовых координат, в качестве которых выбраны токи в ин-дуктивностях и напряжения на конденсаторах, непрерывные в моменты коммутации ключа К, полагаемого идеальным, А₁и A2-mxm— квадратные матрицы, элементами которых являются параметры анализируемых цепей, полагаемые постоянными, U_m и Ω— амплитуда и частота преобразуемого гармонического напряжения, T0 = 2π/Ω-го период, h₁^T=k₁c^T, h₂^T = k₂c^T, c^T = [1, 0,…, 0]– m — мерные векторы, T-знак транспонирования, k1 и k₂ — постоянные, T = T₀/N — период коммутации ключа К, NL1 — целое число.

Для удобства анализа введем в рассмотрение комплексный вектор X*=ReX*+jImX*, мнимая часть которого удовлетворяет уравнениям (5) и (6), то есть ImX*=X, а вещественная часть удовлетворяет тем же уравнениям, в правой части которых синусоидальное напряжение заменено косинусоидальным напряжением той же фазы, амплитуды и частоты. Очевидно, для комплексного вектора X* можно записать следующие уравнения, являющиеся исходными для анализа установившегося режима.

В результате анализа установившегося режима импульсных преобразователей напряжения переменного тока математическими методами установлено, что при исчезающе малом периоде коммутации ключа К комплексный вектор фазовых координат X* изменяется по закону:

X*(t)=X*(jΩγ)U_me^jΩt     (9)

где

  (10)

где E — единичная матрица, «-1» означает обратную матрицу.

Заметим, что согласно принятой в теоретической электротехнике терминологии вектор X*(jΩγ)U_m можно назвать вектором комплексных амплитуд фазовых координат импульсного преобразователя напряжения. Можно показать, что отклонения от предельных законов изменения фазовых координат имеют относительно Т порядок малости не ниже первого. Это позволяет при достаточно сильном неравенстве

T= T₀/NKT₀, (NL 1)             (11)

анализ свойств импульсных преобразователей напряжения проводить по их непрерывным моделям, описываемым в общем виде выражениями (9), (10).

2. Непрерывные модели основных схем преобразователей напряжения

А. Рассмотрим вначале повышающий преобразователь напряжения (рис. 2), представленный расчетной схемой на рис. 6. Для положений переключателя 1 и 2 повышающий преобразователь напряжения описывается следующими двумя системами дифференциальных уравнений соответственно:

где u₁ = U_msin(Ωt)— преобразуемое напряжение, u₂ — выходное напряжение, R_н, L_н — активное сопротивление и индуктивность нагрузки, С— емкость конденсатора фильтра, L и r — индуктивность и активное сопротивление дросселя Др, в которые можно включить активную и индуктивную составляющие выходного сопротивления источника преобразуемого напряжения щ, Т— период коммутации.

Рис. 6

Обозначив фазовые координаты преобразователя напряжения

х₁ = i_L,, x₂ = и₂, х₃ = i_н,             (14)

можно системы уравнений (12) и (13) представить соответственно в виде двух векторно-матричных уравнений (5) и (6), где

Подстановка выражений (15) в (10) позволяет из (9) получить для установившегося режима

где z_n=R_n+jΩL_n,  z_др=r+jΩL, z_c=(jΩC)^-1

Б. Рассмотрим инвертирующий преобразователь напряжения (рис. 3), полагая источник входного напряжения идеальным. Согласно расчетной схеме, представленной на рис. 7, при первом и втором положениях ключа преобразователь напряжения описывается двумя системами дифференциальных уравнений, аналогичными системам уравнений повышающего преобразователя напряжения (12), (13):

Рис. 7

Использовав те же обозначения фазовых координат (14), получаем матрицы, векторы и коэффициенты уравнений (5) и (6):

Подстановка выражений (19) в (10), согласно (9), дает для установившегося режима:

при тех же обозначениях, что и в формулах (16). В. Понижающий преобразователь напряжения, представленный на рис. 3, рассмотрим, также полагая источник входного напряжения идеальным. Согласно расчетной схеме, представленной на рис. 8, ниже записаны системы дифференциальных уравнений преобразователя напряжения для положения переключателя 1 и 2 соответственно:

Рис. 8.

Рис. 8

Матрицы, векторы и коэффициенты систем (5) и (6) при тех же, что и выше, обозначениях фазовых координат (14) имеют вид:

Согласно (9) при подстановке (23) в (10) получаем для установившегося режима:

Для практических приложений большое значение имеет выходное сопротивление реального источника входного напряжения, имеющего, как правило, активно-индуктивный характер. Для защиты транзисторного ключа от перенапряжений, вызванных ЭДС самоиндукции внутреннего сопротивления источника входного напряжения, включают конденсатор на входные зажимы инвертирующей и понижающей схем. В повышающей же схеме ток источника входного напряжения не прерывается, и защиту ключа от перенапряжений в моменты коммутации обеспечивают снабберные цепи, которые при анализе установившегося режима не учитываются. В двух же других схемах емкость на входе преобразователя напряжения имеет существенную величину и должна быть во многих случаях учтена, поскольку влияет на входное напряжение преобразователя.

Г. Расчетная схема инвертирующего преобразователя напряжения, учитывающая выходное сопротивление источника входного напряжения и конденсатор на входе, представлена на рис. 9. Схему преобразователя напряжения описывают следующие две системы дифференциальных уравнений для двух положений ключа 1 и 2:

Рис. 9

Рис. 10

Обозначив фазовые координаты

х₁ = i₁, х₂ = u₁, х₃= i_L, х₄ = и₂,х₅ = i_н, (27)

получаем матрицы, векторы и коэффициенты систем уравнений (5), (6):

Подставив (29) в (10), согласно (9) находим для установившегося режима:

где

Д. Расчетная схема понижающего преобразователя напряжения, учитывающая выходное сопротивление источника входного напряжения и конденсатор на входе, представлена расчетной схемой на рис. 10. Соответствующие системы дифференциальных уравнений схемы для положений ключа 1 и 2 приведены ниже:

Рис. 9

При тех же обозначениях, что и в (27), получаем из (31), (32):

Подстановка (33) в (10) согласно (9) дает для установившегося режима:

где

3. Анализ свойств основных схем преобразователей напряжения

Запишем согласно x*₂ формул (16), (20) и (24) выражения для комплексной амплитуды выходного напряжения в виде

где z _нс = z_нz_с( z _н+z_с )^–1— комплексное сопротивление нагрузки и параллельно включенного конденсатора фильтра C.

Согласно (35) непрерывную модель преобразователя напряжения можно рассматривать как источник регулируемого напряжения переменного тока, ЭДС E_m и выходное сопротивление z _вых которого определяются выражениями:

Очевидно, что выражения для ЭДС повторяют формулы выходного напряжения соответствующих импульсных преобразователей напряжения постоянного тока (2, 3, 4). Выходное сопротивление повышающего и инвертирующего преобразователей оказывается переменным, увеличивающимся вместе с ростом ЭДС, причем значительно быстрее последней. Это обстоятельство — следствие различия структуры преобразователей напряжения в первой и второй части периода коммутации. У понижающего же преобразователя напряжения структура не изменяется, и поэтому выходное сопротивление его постоянно. Во всех схемах z_вых имеет активно-индуктивный характер со значительно преобладающей индуктивной составляющей, что характерно для дросселей.

Нетрудно показать, используя исходные формулы (16, 20, 24), что несмотря на стремление ЭДС повышающего и инвертирующего преобразователей к бесконечности при у, стремящейся к 1, выходное напряжение их при этом стремится к нулю, что объясняется более быстрым стремлением к бесконечности выходного сопротивления. Физическая же причина этого заключена в ограничении тока дросселя:

i_L<U_m/(r²+Ω²L²)

тогда как при стремлении γ к 1 ток дросселя должен неограниченно расти, чтобы за исчезающе малое время (1- γ )/T компенсировать разряд конденсатора С током нагрузки i_н за время γ T

Сказанное означает, что для повышающего и инвертирующего преобразователей напряжения существует критическое значение γ-γ_кр, при котором выходное напряжение (его амплитуда или действующее значение) при фиксированных значениях z _др, z _н, z_с , достигает максимальной величины. Для определения γ_кр необходимо исследовать на экстремум по γ выражения амплитуды выходного напряжения

где x=1- γ, α =Re{z_др/z_нс}, β=Im{z_др/z_нс}

Исследование на экстремум первого выражения дает γ_кр для повышающего преобразователя напряжения

Этому значению у соответствует максимальная амплитуда выходного напряжения

Для инвертирующего же преобразователя напряжения

γ_кр=1-x_кр ,                (39)

где x _кр — положительный корень уравнения

      (40)

Несложно показать, что в силу условия α<0 уравнение (40) имеет единственный положительный корень 0 < x _кр <0,5 и, следовательно, для инвертирующего преобразователя напряжения

0,5< γ_кр <1 .

При построении регуляторов и стабилизаторов переменного напряжения на основе повышающего или инвертирующего преобразователя необходимо ограничивать величину γ сверху неравенством

γ< γ_кр ,                (41)

поскольку превышениевместо увеличения выходного напряжения вызовет его уменьшение под действием обратной связи вплоть до 0 при γ=1

У повышающих преобразователей напряжения при одинаковых γ_кр, то есть при одинаковых | z _др/z_нс| отношение (U_2m)_max/U_m имеет разные значения, лежащие в пределах

        (42)

Нижний предел соответствует z_др/z_нс= α, α =0, верхний — α =0, z_др/z_нс=jβ

В инвертирующем преобразователе γ_кр зависит не только от модуля z/z _нс, но и от его вещественной части, причем при одинаковом модуле большему значению вещественной части (α) соответствуют меньшие x _к и (U_2m)_max/U_m и большее γ_кр. При вещественном z /z_нс (z/z_нс= α) положительный корень уравнения (40) x _к и соответствующие ему γ_кр и (U_2m)_max/U_m имеют аналитические выражения:

Полученные выражения могут служить при известном значении | z /z_нс| оценкой снизу для x_кр и (U_2m)_max/U_m и оценкой сверху для γ_кр

Для выбора силовых транзисторов, образующих ключевой элемент преобразователей напряжения, изображенных на рис. 1-3, например представленный на рис. 4, необходимо знать наибольший коммутируемый ими ток. Во всех схемах силовые транзисторы коммутируют ток дросселя i_L, амплитуда которого и должна учитываться при выборе транзисторов ключевого элемента.

При исчезающе малом периоде коммутации Т из выражений (14), (16), (20) и (24) несложно выразить отношение комплексных амплитуд токов дросселя и тока нагрузки:

При выполнении условия (11) |z_н/z_с| K1 можно амплитуду тока дросселя считать в  (1- γ )^-1 раз превосходящей амплитуду тока нагрузки в повышающей и инвертирующей схемах, а в понижающей схеме можно амплитуды токов считать равными.

В реальных схемах при конечном Т необходимо учесть еще и пульсации тока дросселя, накладывающиеся на полезную (гладкую) составляющую тока.

Точное определение пульсаций тока дросселя требует построения установившегося процесса при реальном конечном периоде коммутации Т. Поскольку при расчете преобразователя напряжения значения его параметров z_др, z_с, Т не известны и подлежат определению, необходимо оценить величину пульсации более простым способом, позволяющим выбрать индуктивность дросселя и частоту коммутации, а затем уточнить величину пульсаций.

Максимальный размах пульсаций тока дросселя (удвоенную амплитуду пульсаций) в повышающей и инвертирующей схемах (рис. 2 и 3) можно оценить, полагая ее совпадающей по фазе с амплитудой входного напряжения. Очевидно, она равна приращению тока дросселя за время его прямого подключения к входному напряжению в течение времени τ = γ T, что дает

ΔL_Lm=U_mγT/L   (45)

Для повышающей схемы следует принять γ =1-U_m/U_2m, а для инвертирующей — γ =U_2m/(U_m+U_2m) 

Максимальный размах пульсаций тока дросселя в понижающей схеме (рис. 1) можно оценить, полагая ее совпадающей по фазе с амплитудой выходного напряжения и равной уменьшению тока дросселя под его действием за время  (1- γ)T, что дает

I_Lm= U_2m(1–γ)T/L = U_mγ(1–γ)T/L,   (46)

где γ =U_2m/U_m

При известной частоте коммутации f= 1/ T и допустимом размахе пульсаций ΔI_Lm можно найти индуктивность дросселя из выражений (45), (46). Очевидно, что при большей частоте коммутации необходимая индуктивность дросселя оказывается меньше и соответственно меньше выходное сопротивление преобразователя напряжения.

Максимальный размах пульсаций выходного напряжения (удвоенную амплитуду пульсаций) в повышающей и инвертирующей схемах (рис. 2 и 3) можно оценить по величине уменьшения напряжения на конденсаторе под действием максимального тока нагрузки. Этот ток разряжает конденсатор в течение времени γT, что с учетом I _нm = U_2m/| z_н| дает

ΔU_2max = I_нm(1–γ)T/C = U_2m(1–γ)T/[|z_н|C].    (47)

Очевидно, что в повышающей и инвертирующей схемах пульсации имеют пилообразную форму — это вызвано скачками тока конденсатора в моменты коммутации.

Ток конденсатора в понижающей схеме рис. 1 непрерывен, поскольку представляет собой разность непрерывных токов:

i_C = i_L—i_н.

Поэтому пульсации выходного напряжения понижающего преобразователя напряжения оказываются более гладкими, чем пилообразные: непрерывна в этом случае и производная выходного напряжения. Оценить наибольший размах пульсаций можно, положив, что пилообразная пульсирующая составляющая тока дросселя целиком замыкается через конденсатор [5]:

ΔU_2max=U_m γ(1-γ)T²/(8LC)  (48)

Из полученных выражений следует, что в понижающем преобразователе напряжения уменьшение пульсаций пропорционально квадрату частоты коммутации. В повышающем же и инвертирующем преобразователях пульсации уменьшаются пропорционально только первой степени частоты.

Выбрав значения индуктивности дросселя и емкости конденсатора, можно уточнить оценку размаха пульсаций, используя формулы, полученные на основе принципа разделения установившегося процесса на быструю составляющую (пульсации, происходящие с частотой коммутации f) и медленную (колебания токов и напряжений с частотой входного напряжения f ₀).

Учитывая выполнение в практически важных случаях сильного неравенства fLf₀, медленную составляющую можно определять по формулам, полученным для бесконечно малого периода коммутации Т, и считать при определении пульсационной составляющей напряжений и токов, что она в каждом периоде не имеет постоянной составляющей. Ее роль выполняет медленная, практически постоянная в течение периода коммутации, составляющая.

Максимальный размах пульсаций тока дросселя и выходного напряжения в повышающей схеме определяют следующие уточненные формулы:

Заметим, что максимальные пульсации тока дросселя совпадают по фазе с максимумом медленной составляющей выходного напряжения u₂ и сдвинуты относительно максимума медленной составляющей тока дросселя на угол, определяемый аргументом комплексного сопротивления z_нс. Наибольший размах пульсаций выходного напряжения сдвинут по фазе относительно амплитуды его медленной составляющей на угол, равный аргументу комплексного сопротивления z _нс, взятому с противоположным знаком.

В случае инвертирующего преобразователя аналогичные (49) и (50) выражения имеют соответственно вид

Сдвиг по фазе между амплитудным значением тока дросселя и максимумом пульсаций равен аргументу комплексного сопротивления z=z_др+(1–γ)z_нс. Максимум пульсаций выходного напряжения сдвинут по фазе относительно амплитуды его медленной составляющей на угол, равный аргументу комплексного сопротивления z_нс, взятому с противоположным знаком, как и в повышающей схеме.

Для понижающейся схемы аналогично получены формулы

ΔI_Lm = U_mγ(1–γ)T/L.      (53)

ΔU_2max = U_mγ(1–γ)T/[|(z_др+(1–γ)2z_нс)|C] = U2_m T/[|z_нс|C].      (54)

Максимум пульсаций тока дросселя сдвинут по фазе относительно максимума его амплитуды на угол, равный аргументу комплексного сопротивления z=z_др+z_нс. Максимальный размах пульсаций выходного напряжения совпадает по фазе с максимальным размахом пульсаций тока дросселя и, следовательно, сдвинут по фазе относительно амплитуды выходного напряжения на угол, равный аргументу комплексного сопротивления z _нс, взятому с противоположным знаком.

В выражения (49-54) следует подставлять значения γ, определенные из одного из уравнений (36) для соответствующей схемы преобразователя напряжения. Заметим, что решение уравнений для повышающего и инвертирующего преобразователей дает два значения γ, меньшее из которых лежит слева, а большее — справа от γ_кр, соответствующего максимуму статической характеристики преобразователя напряжения. Очевидно, следует выбрать меньшее значение γ, соответствующее возрастающей ветви статической характеристики.

При выборе емкости конденсатора С можно в случае постоянной или достаточно мало изменяющейся нагрузки исходить не из получения допустимых пульсаций, а из компенсации индуктивной составляющей тока нагрузки. Очевидно, в этом случае потребуется конденсатор большей емкости

C = L_н/[(ΩL_н)² + R_н²] = Lн/|zн|².

Благодаря этому ток дросселя, а следовательно, и транзисторного ключа, станет меньше тока нагрузки без учета изменения γ в | z_н| /R_н раз.

В заключение оценим влияние выходного сопротивления z_вых источника входного напряжения и шунтирующего его защитного конденсатора С ₁ (рис. 9 и 10) на свойства импульсного преобразователя напряжения переменного тока. Из полученных выше формул (40) и (44) с учетом принятых обозначений (38) можно записать выражение для комплексной амплитуды выходного напряжения инвертирующего и понижающего преобразователей напряжения

где z_{ис 1}= z_иz_с1(z_и+ z_{с 1} )^–1 — выходное сопротивление источника входного напряжения, нагруженного на конденсатор С₁. С учетом zи и z_{с 1} непрерывная модель преобразова-теля также представляет собой управляемый источник переменного напряжения, ЭДС которого E_1mи выходное сопротивление z_вых имеют значения (56).

Вследствие изменения структуры преобразователя напряжения в течение периода коммутации (рис. 10) становится переменным и выходное сопротивление понижающего преобразователя напряжения.

4. Принципы построения устройств регулирования и стабилизации напряжения переменного тока

Возможны два варианта использования рассмотренных схем для регулирования и стабилизации напряжения переменного тока, отличающиеся способом его измерения.

В первом из них контролируется действующее, среднее или амплитудное значение напряжения. Для его определения необходим интервал наблюдения, равный или кратный половине периода этого напряжения. Недостаток первого варианта — невысокое быстродействие, определяемое периодом измерения регулируемого параметра, и отличие неконтролируемых параметров от соответствующих контролируемому параметру значений, вызванное отклонением формы входного напряжения от синусоидальной.

Второй вариант требует контроля мгновенных значений выходного напряжения и возможности изменения γ в каждом периоде срабатывания ключа. Его достоинство в возможности исправлять отклонения формы входного напряжения от синусоидальной [3] и обеспечивать соответствие между параметрами напряжения (действующим, средним и амплитудным), а также значительно большее быстродействие, определяемое периодом срабатывания ключа. Недостаток второго варианта — необходимость в синусоидальном задающем сигнале, непрерывном или дискретном, синхронном с входным напряжением.

В качестве стабилизатора выходного напряжения наиболее подходит инвертирующая схема, не требующая использования силового трансформатора сетевой частоты. Соответствующее изменение γ относительно γ=0,5 при отклонении выходного напряжения от номинального значения в любую сторону позволяет поддерживать величину выходного напряжения постоянной. Недостаток инвертирующей схемы — необходимость в высоком допустимом напряжении ключа (порядка удвоенной амплитуды входного напряжения) и передача через преобразователь напряжения полной мощности нагрузки.

Менее жесткие требования к ключу предъявляет известная схема стабилизатора с вольтдобавкой, в которой напряжение вольтдобавки регулируется одной из рассмотренных схем. В качестве одного из возможных примеров практического применения импульсного способа регулирования переменного напряжения рассмотрим стабилизатор с выходными параметрами U_вых = 220 В, 50 Гц, I_вых≤5А, построенный по функциональной схеме рис. 11 [6].

Рис. 11

Нестабильное сетевое напряжение U_с (220 В, 50 Гц) поступает на обмотки W, W₁ автотрансформатора АТ. Стабильное выходное напряжение представляет собой сумму напряжения на основной обмотке W, равного U_cW /(W+W₁), и выходного напряжения импульсного преобразователя рис. 1, подключенного к «вольтдобавочной» обмотке W₂, равного γU_cW ₂/(W+W₁). В зависимости от величины сетевого напряжения стабилизатор автоматически подбирает величину γ таким образом, что остается постоянным выходное напряжение:

U_вых = U_c(W+γW₂)/(W+W₁).

В состав стабилизатора входят двухполупериодный выпрямитель В и устройство выборки и хранения УВХ, синхронизированное с напряжением сети, которые обеспечивают измерение амплитуды выходного напряжения U_m в каждом его полупериоде. Интегральный регулятор Р интегрирует отклонение амплитуды выходного напряжения от заданной величины U_mз и управляет относительной длительностью выходных импульсов широтно-импульсного модулятора (ШИМ), которые через драйвер Д поступают на силовые полевые транзисторы типа IRF640, реализующие ключ К.

С точки зрения теории автоматического управления стабилизатор можно достаточно точно представить хрестоматийной амплитудно-импульсной системой с «прямоугольным» импульсным элементом, работающим с периодом 0,01 с, и непрерывной частью в виде идеального интегрирующего звена.

Интегральный регулятор обеспечивает отсутствие статической ошибки при изменении как U_c , так и I_вых. Динамические свойства стабилизатора могут быть достаточно высокими, если выбрать параметр регулятора таким образом, чтобы корень характеристического уравнения системы стал равным нулю. Этим будет обеспечена длительность переходных процессов, равная периоду дискретности (0,01 с).

Описанный стабилизатор был реализован в ООО «Мегатех» (Санкт-Петербург). Его испытания подтвердили высокие точность и динамические свойства. Габаритные показатели и КПД вследствие импульсного способа регулирования также оказались достаточно высокими, в то время как пульсации выходного напряжения практически полностью сглаживались фильтром Ф, имеющим незначительные габариты.

Можно значительно улучшить весогабаритные показатели рассмотренного стабилизатора, отказавшись от сетевого автотрансформатора и заменив его и импульсный понижающий преобразователь на преобразователь, построенный по описанному в [7] способу.

 

Выводы

• Предложенная методика позволяет получить в конечном виде математическое описание установившегося режима импульсного преобразователя напряжения с учетом нагрузки и выходного сопротивления источника входного напряжения и фильтров на входе и выходе преобразователя напряжения.
• Импульсный преобразователь переменного напряжения при достаточно высокой частоте коммутации можно рассматривать как регулируемый источник переменного напряжения, ЭДС и выходное сопротивление которого растут при увеличении относительной длительности импульсов γ.
• Зависимость выходного напряжения повышающего и инвертирующего преобразователей от γ имеет максимум вследствие более быстрого роста выходного сопротивления, чем ЭДС, и стремится к 0 при стремлении γ к 1 даже в случае нулевого активного сопротивления дросселя.
• Пульсация тока дросселя и выходного напряжения повышающего и инвертирующего преобразователей напряжения имеют пилообразный характер, причем размах «пилы» периодически изменяется. С уменьшением периода коммутации пропорционально уменьшаются и пульсации.
• В понижающем преобразователе напряжения пульсации тока дросселя также пилообразные, а пульсации выходного напряжения имеют на единицу более высокий порядок гладкости и малости относительно Т.

---

Пример

Рассчитаем «электронный повышающий трансформатор» U₁/U₂ = 110/220, выполненный по схеме повышающего преобразователя напряжения, представленной на рис. 2. Рассмотрим два варианта нагрузки мощностью 1100 ВА (220 В, 5 А): z_н1 = 40+18,33j, z_н2=18,33+40j (|z|=U₂/I_н=220/5=44Ом). Частоту коммутации f примем равной 50 кГц, то есть в 10³ раз выше частоты сети f₀ = 50 Гц. Допустимый размах пульсаций (удвоенную амплитуду) положим для тока дросселя равным ΔI_Lmax= 0,225 А, а для выходного напряжения ΔI_2max = 5 В.

Рассчитаем индуктивность дросселя и емкость конденсатора фильтра, приняв согласно (3) γ=1-U₁/U₂=0,5. По формулам (45) и (47) получаем:

Для уточнения значения γ необходимо решить относительно γ уравнение

|z_нс[z_др/(1–γ)2+z_нс]–1(1–γ)–1| = U₂/U₁,

 полученное из первой из формул (35). Последнее уравнение, обозначив x=1- γ, легко преобразовать к виду

|x+a/x| = U₁/U₂,

 где  a = z_др/z_нс= jΩL(1+jΩCz_н)/z_н.

 Вычисление модуля комплексного числа x+a/x позволяет свести полученное уравнение к биквадратному:

x ⁴+ [Re(a)–(U₁/U₂)²]x²+| a|² = 0.

Комплексный коэффициент a принимает значение a ₁= 0,010917+0,044878j при z_н1 и a₂ = 0,035229+0,020565j при z_н2. Решение биквадратного уравнения дает пары положительных корней: x₁= 0,4673, x ₂ = 0,0988 (= 0,5327,  = 0,9012) при a ₁ и x₁ = 0,4120, x₂ = 0,0990 (γ₁ =0,5880, γ₂ = 0,9010) при a₂. Из пары полученных значений следует выбрать меньшее, соответствующее возрастающей ветви статической характеристики преобразователя напряжения U₂=f(γ). Статические характеристики преобразователя напряжения в относительных единицах для указанных значений нагрузки z _н1 и z _н2 представлены на рис. 12 (кривые 1 и 2 соответственно).

Рис. 12

По формулам (49) и (50) уточнен размах пульсаций

где z_нс = z_н1/(1+jΩCz_н1) = 45,6959+11,1151j = 47,0284xe^jφ, φ = 13,67°.

При этом максимум пульсаций тока дросселя сдвинут по фазе относительно максимума тока дросселя на угол φ = 13,67° в сторону опережения, а максимум пульсаций напряжения отстает от максимума напряжения на такой же угол.

Аналогично вычислено и для нагрузки z _н2

где z_нс = z_н2 /(1+ jΩCz_n2)= 26,8443+45,9852j = 53,2471xe^jφ, φ= 59,73°.

При этом максимум пульсаций тока дросселя сдвинут по фазе относительно максимума тока дросселя на угол φ = 59,73° в сторону опережения, а максимум пульсаций напряжения отстает от максимума напряжения на такой же угол.

Согласно формуле (44) максимальный коммутируемый ключом К (рис. 2) ток, равный амплитуде тока дросселя, превышает амплитуду тока нагрузки в (1–γ)^–1|1+z_н/z_с| раз, что составляет 2,0021 при z _н1 и 2,0057 при z _н2.

Существенный выигрыш в коммутируемом токе можно получить при z_н2, выбрав емкость конденсатора фильтра из условия компенсации реактивной составляющей тока нагрузки согласно формуле

Такой выбор емкости делает сопротивление z _нс чисто активным и равным 105,62 Ом, то есть почти в 2 раза большим, чем |z_нс| при предыдущем ее выборе. Аналогично вышеизложенному получаем значения γ₁ = 0,5017 и γ₂=0,9587. Максимальный коммутируемый ключом К ток в этом случае превышает амплитуду тока нагрузки в 0,836 раза, то есть меньше ее в 1,196 раза. Существенно снижаются и пульсации выходного напряжения, составляющие

Статическая характеристика имеет в этом случае больший максимум и большее значение γ_кр (кривая 3 на рис. 12). Значения γ_кр, рассчитанные по формуле (37) для рассмотренных случаев, составляют: 0,7851, 0,7980 и 0,8566.

Значительный интерес представляет моделирование импульсных преобразователей напряжения переменного тока с учетом импульсного характера процессов. Это моделирование позволяет проверить результаты расчетов, основанных на использовании непрерывных моделей. В качестве базы моделирования удобно использовать систему MATLAB 6.5 с версиями пакетов Simulink 5.0 и SimPowerSystem 2.3 [8].

Моделирование ключа с двухсторонней проводимостью на реальных элементах (рис. 4) вызывает определенные трудности. Поэтому проще использовать идеальный ключ (Ideal Switch) из библиотеки силовых элементов полупроводниковых преобразователей (Power Electronics), позволяющий учесть внутреннее сопротивление реального ключа и снабберные цепи. Схема моделирования представлена на рис. 13. Обе половинки ключа управляются импульсами генератора (Discrete Pulse Generator) из библиотеки (Sources), поступающими на ключи в противофазе и имеющими заданную частоту f и скважность γ.

Рис. 13

Результаты моделирования и расчетов хорошо совпадают, что можно видеть из осциллограмм тока дросселя и напряжения нагрузки, представленных на рис. 14 для случая z_н2,С= 14,14 мкФ.

Рис. 14

Литература

1. Миловзоров В. П., Мусолин А. К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения. М.: Энергоатомиздат. 1986.
2. Источники вторичного электропитания / С. С. Букреев, В. А. Головацкий, Г. Н. Гулякович и др.; под ред. Ю. И. Конева. М.: Радио и связь. 1983.
3. Крапивников В. В. Способ управления двигателем переменного тока. Авт. свид. СССР № 248834.
4. Тимченко Н. М., Жуков В. И. Импульсный стабилизатор переменного напряжения. Авт. свид. СССР № 472339.
5. Коршунов А. Динамический расчет стабилизированного понижающего преобразователя напряжения постоянного тока // Силовая электроника. 2005. № 3.
6. Коршунов А. И. Импульсный стабилизатор переменного напряжения. Авт. свид. РФ № 2246127.
7. Коршунов А. И. Способ регулирования величины и изменения фазы напряжения переменного тока. Авт. свид. РФ № 2266608.

Преобразователи напряжения. Виды и устройство. Работа

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжения могут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

• Инвертирующие.
• Повышающие.
• Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

• Ключевой коммутирующий элемент.
• Источник питания.
• Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
• Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
• Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:

• Магнитопровод.
• Первичная и вторичная обмотка.
• Каркас для обмоток.
• Изоляция.
• Система охлаждения.
• Другие элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Существуют и другие виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.

• Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
• Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
• В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
• Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
• Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
• В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.

Виды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:

• Регуляторы напряжения.
• Преобразователи уровня напряжения.
• Линейный стабилизатор напряжения.

Преобразователи переменного тока в постоянный:

• Импульсные стабилизаторы напряжения.
• Блоки питания.
• Выпрямители.

Преобразователи постоянного тока в переменный:

Преобразователи переменного напряжения:

• Трансформаторы переменной частоты.
• Преобразователи частоты и формы напряжения.
• Регуляторы напряжения.
• Преобразователи напряжения.
• Трансформаторы разного рода.

Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:

• На пьезоэлектрических трансформаторах.
• Автогенераторные.
• Трансформаторные с импульсным возбуждением.
• Импульсные источники питания.
• Импульсные преобразователи.
• Мультиплексорные.
• С коммутируемыми конденсаторами.
• Бестрансформаторные конденсаторные.

Особенности

• При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
• Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
• По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Применение

• Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6—24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
• Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
• Для питания различных цепей;

— автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
— радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

• Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
• Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

Достоинства и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

• Обеспечение контроля входного и выходного режима тока. Эти устройства трансформируют переменный ток в постоянный, служат в качестве распределителей напряжения постоянного тока и трансформаторов. Поэтому их часто можно встретить в производстве и быту.
• Конструкция большинства современных преобразователей напряжения имеет возможность переключения между разным входным и выходным напряжением, в том числе предполагает выполнение подстройки выходного напряжения. Это позволяет подбирать преобразователь напряжения под конкретный прибор или подключаемую нагрузку.
• Компактность и легкость бытовых преобразователей напряжения, к примеру, автомобильных преобразователей. Они миниатюрны и не занимают много места.
• Экономичность. КПД преобразователей напряжения достигает 90%, благодаря чему существенно экономится энергия.
• Удобство и универсальность. Преобразователи позволяют подключать быстро и легко любой электроприбор.
• Возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния благодаря повышению напряжения и так далее.
• Обеспечение надежной работы критических узлов: охранных систем, освещения, насосов, котлов отопления, научного и военного оборудования и так далее.

К недостаткам преобразователей напряжения можно отнести:

• Восприимчивость преобразователей напряжения к повышенной влажности (кроме преобразователей, специально созданных для работы на водном транспорте).
• Занимают некоторое место.
• Сравнительно высокая цена.

Похожие темы:

Импульсный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа

Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/40529

Title:	Импульсный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа
Authors:	Нгуен Ха Ча Ми
metadata.dc.contributor.advisor:	Торгаев, Станислав Николаевич
Keywords:	импульсные преобразователи; П- регулятор; ПИ- регулятор; ПИД- регулятор; выходное напряжение; постоянное напряжение; DC/DC switching-power converters; p controller; pi controller; PID controller; output voltage
Issue Date:	2017
Citation:	Нгуен Ха Ча Ми Импульсный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа : бакалаврская работа / Нгуен Ха Ча Ми ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт неразрушающего контроля (ИНК), Кафедра промышленной и медицинской электроники (ПМЭ) ; науч. рук. С. Н. Торгаев. — Томск, 2017.
Abstract:	Импульсные преобразователи постоянного напряжения в постоянное находят широкое применение в системах питания различной аппаратуры. В данной работы рассматривается импульсный преобразователя постоянного напряжения понижающего типа с системой управления, с помощью программы MATLAB/Simulink исследуется влияние коэффициентов П-, ПИ- и ПИД- регуляторов на выходные напряжения схемы понижающего преобразователи постоянного напряжения. DC/DC switching-power converters are widely used in electric power systems of various equipment. In this paper we consider the influence of P, PI and PID Controllers on the output voltages of the buck DC-DC converter by using program MATLAB / Simulink.
URI:	http://earchive.tpu.ru/handle/11683/40529
Appears in Collections:	Выпускные квалификационные работы (ВКР)

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Повышающие напряжение импульсные преобразователи

Из всего многообразия видов импульсных источников питания в данной статье рассматриваются только преобразователи, повышающие напряжение с 12 В до 220 В и более. Область применения таких устройств довольно широка и интерес к ним проявляют многие. Так, в Internet на некоторых радиолюбительских сайтах импульсным преобразователям посвящены целые разделы, например: Для данных целей, в зависимости от необходимой мощности в нагрузке, импульсный источник питания обычно выполняется по однотактной (до 60…150 Вт) или двухтактной схеме (от 60 Вт и выше). Существуют также и другие варианты построения схем импульсных преобразователей, но они более сложны для повторения и поэтому здесь рассматриваться не будут.

Каждый из вариантов схемы имеет свои достоинства и недостатки. Так, однотактные преобразователи дешевле и проще, но создают больше высокочастотных помех, с которыми приходится бороться. Кроме того, они требуют принятия специальных мер для исключения намагничивания магнитопровода (более сложной получается конструкция трансформатора за счет секционирования обмоток и выполнения зазора в магнитопроводе). Для исключения намагничивания сердечника может использоваться не только зазор в магнитопроводе, но и токовая обратная связь, которая при правильной настройке схемы не позволит войти магнитопроводу в насыщение.

Магнитопровод для работы в однотактном преобразователе обычно имеет большие размеры, чем в двухтактной схеме такой же мощности. Двухтактная схема исключает намагничивание сердечника магнитопровода за счет противоположного направления протекания тока в первичных обмотках, что позволяет сделать конструкцию трансформатора более простой. Режим работы силовых ключей облегчается, так как они работают поочередно. Это дает возможность получить большую мощность в нагрузке.

Использование современной элементной базы (специализированных микросхем и мощных полевых транзисторов) позволяет сделать такой источник питания малогабаритным и с высоким КПД. Специально разработанные быстродействующие мощные полевые ключи, в отличие от биполярных, имеют меньшее сопротивление канала в открытом состоянии, что снижает на нем потери мощности. Это позволяет уменьшить размеры теплоотвода (иногда вообще отказаться от радиатора) и общие габариты конструкции.

На рисунках приведены довольно простые схемы, которые нередко используются для питания стробоскопической или маломощной люминисцентной лампы в конструкциях, где не предъявляются высокие требования к параметрам, а главным является низкая цена. Такие устройства могут найти немало и других применений, например в качестве первичного повышающего напряжение преобразователя для электрошокового устройства. Они позволяют из постоянного]напряжения 3…15 В получать 400 В и более.

Самый простой преобразователь можно выполнить по однотактной схеме. Принцип работы ее основан на свойстве индуктивности накапливать энергию, когда протекает через обмотку ток (при открытом состоянии ключа), а при закрывании ключа – отдавать в нагрузку через вторичную обмотку. Такой режим работы схемы обеспечивается при соответствующей фазировке включения вторичной обмотки. За счет работы преобразователя на повышенной частоте конструкция трансформатора получается малогабаритной.

На рисунке 1 показана схема преобразователя, выполненного на одном мощном универсальном транзисторе 2N3055 (отечественные аналоги КТ819ГМ, КТ8150А). Подойдут также и другие мощные n-p-n транзисторы с допустимым напряжением Uкэ>80 В и током 1к>2А. Диод VD1 предохраняет переход эмиттер-база транзистора от воздействия большого обратного напряжения. Этот диод должен быть быстродействующим, например, из серии 1N4007 или КД247. Диод 1N4948 может быть заменен двумя включенными последовательно диодами КД257Д.
В схеме можно использовать транзистор и другой проводимости. Потребуется только изменить полярность подачи напряжения и включения диода VD1. Резистор R1 обеспечивает нужное положение рабочей точки транзистора и его величину надо подбирать. Резистор R2 ограничивает ток диода VD2 при зарядке конденсатора СЗ. Конденсатор С2 подойдет любой неполярный (от него зависит рабочая частота преобразователя). Лучше выбирать частоту не менее 10…30 кГц. А если схема будет работать со стробоскопической лампой, конденсатор СЗ должен быть рассчитан на длительную работу с большими пульсациями тока, например типа МБМ или взять более современные, изготовленные на основе полистироловой пленки К78-17, К71-7И др.

Для изготовления трансформатора Т1 подойдет броневой магнитопровод Б30. Намотка выполняется проводом ПЭЛ. Обмотки 1 и 2 содержат по 18 витков проводом диаметром 0,51 мм (обмотка 1 может быть выполнена более тонким проводом – 0,13 мм), 3 – 350 вит ков проводом 0,13 мм (число витков во вторичной обмотке зависит от необходимой величины напряжения).

Если от схемы требуется длительная работа, транзистор VT1 должен быть установлен на радиатор.

Схема, показанная на рисунке 1, является вариантом предыдущей. Она предназначена для питания малогабаритной переносной люминисцентной лампы от 8 батареек (АА).
Трансформатор Т1 имеет следующие намоточные данные: обмотка 1 – 15 витков проводом диаметром 0,14 мм, 2 – 20 витков (0,51 мм), 3 – 350 витков (0,14 мм). Магнитопровод можно взять такой же, как и для схемы, приведенной выше, или от применяемых в цветных телевизорах импульсных трансформаторов.

Однотактный преобразователь можно выполнить и на полевом ключе, как это показано на рисунке 3. Делитель из резисторов R1-R2 обеспечивает такое начальное положение рабочей точки на выходной характеристике транзисторов, при которой возникает автогенерация.

Так как все приведенные выше схемы работают при относительно небольших токах, магнитопровод трансформатора обычно не входит в область насыщения и выполнять зазор между сердечниками нет необходимости.

Рисунок 1 – Схема преобразователя для питания стробоскопической лампы

Рисунок 2 – Схема для питания переносной люминисцентной лампы

Рисунок 3 – Преобразователь на полевом транзисторе

По материалом книги “Полезные схемы” И.П. Шелестов

Учебное пособие для понижающего преобразователя постоянного тока

Введение

Выключатель мощности 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.	Рисунок 4.Трансформаторная обратноходовая топология.

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 возрастает со временем со скоростью, пропорциональной входному напряжению, деленному на индуктивность.

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

Фаза разряда

На рисунке 6 показана фаза разряда. Когда переключатель снова размыкается, ток индуктора 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:

В _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 вперед, мы можем установить, что для заданного времени заряда t _ON , заданного входного напряжения и при условии, что схема находится в равновесии, существует конкретное время разряда t _OFF для выходного напряжения.Поскольку среднее напряжение на катушке индуктивности в установившемся режиме должно быть равно нулю, мы можем рассчитать для схемы повышения напряжения:

V _IN × t _ВКЛ = t _ВЫКЛ × V _L

И потому что:

V _ВЫХ = V _IN + V _L

Затем мы можем установить отношения:

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 _OUT = V _IN / (1-D)

Аналогичные выводы можно сделать для понижающей схемы:

V _ВЫХ = V _IN × D

А для схемы инвертора (обратноходовой):

V _OUT = V _IN × D / (1-D)

Методы управления

Из выводов для повышения, понижения и инвертора (обратного хода) можно увидеть, 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 образец выходного напряжения и вычитает его из опорного напряжения, чтобы установить небольшой сигнал ошибки (V _ERROR ). Этот сигнал ошибки сравнивается с сигналом линейного изменения генератора. Компаратор выдает цифровой выход (PWM), 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.

Затем сигнал делителя вычитается из внутреннего опорного напряжения 1,25 В 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 резистор, измеряющий ток, 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.

ШИМ в токовом режиме

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 и сложно осуществить, 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 высоковольтные характеристики, что обеспечивает большую гибкость для приложений с большой мощностью.

Рис. 10. MAX668 для схемы наддува 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 IoT 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 его поистине наноэнергетическим устройством!

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 рисунке 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 неисправностей 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. Как только истечет время однократного таймера 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 терминов:

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 диода; 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 ждать, 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 в 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 ток, проходящий через него.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 схемы. 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 запускается, 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 является фиксированной, 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.

Рисунок 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, . Этот чип имеет металлическую заглушку 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 устройство переключения 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 по току 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 на 330 нА, работающих от 1,8 В до 5,5 В 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 (WLP) размером 1,42 x 0,89 мм (2 x 3 выступа, шаг 0,4 мм), а также в 6-выводном корпусе μDFN размером 2 x 2 мм. .

Сводка

Хотя методы переключения сложнее реализовать, схемы переключения 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.

Учебное пособие по импульсному регулятору напряжения

– Bald Engineer

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

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

Импульсный регулятор напряжения Введение

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

Пример линейного регулятора

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

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

Основные компоненты импульсного преобразователя

Импульсный регулятор напряжения состоит из 4 основных компонентов.

Конденсаторы

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

Катушки индуктивности

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

Импульсные регуляторы напряжения работают, используя свойства накопления энергии конденсатора и катушки индуктивности. Для управления зарядом и разрядом этих компонентов мы используем диоды и транзисторы.

Диоды

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

Переключатели (или транзисторы)

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

Транзистор в импульсном регуляторе напряжения

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

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

Понижающий преобразователь

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

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

Понижающий преобразователь

с ШИМ

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

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

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

Повышающий преобразователь

Схема повышающего преобразователя

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

Buck-Boost

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

Они обычно используются в цепях батарей для извлечения максимально возможной энергии из батареи.

Интегральные схемы

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

LM3671 Упрощенная схема

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

LM3671 Datasheet имеет полную информацию

Проектирование печатной платы требует особой тщательности. В этом случае TI предоставляет очень полезные рекомендации по компоновке в своем листе данных, а также много информации о том, как выбирать компоненты.

Готовые модули

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

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

Заключение

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

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

Понижающий понижающий регулятор

»Примечания к электронике

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

---

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

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

---

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

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

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

Линейный понижающий

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

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

Базовый понижающий преобразователь или регулятор

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

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

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

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

Понижающий преобразователь

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

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

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

Схема понижающего понижающего преобразователя может быть дополнительно объяснена путем исследования форм колебаний тока в разное время в течение всего цикла.

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

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

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

Регулятор входной и выходной фильтрации

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

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

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

Преобразователи

Бак

Фиг.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 в тех случаях, когда 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 рис. 3.1.1, через схему 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 ни был получен постоянный ток, подаваемый на понижающий преобразователь, он 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 увеличивающегося выхода; эта накопленная энергия позже возвращается обратно в схему в качестве обратной ЭДС. 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.1.3 энергия, накопленная 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 для поддержания протекания тока 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, то есть треугольная волна с небольшой амплитудой и высокой частотой с уровнем постоянного тока:

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

или:

Фиг.3.1.4 Понижающий преобразователь

Следовательно, если форма волны переключения имеет отношение метки к пространству 1: 1, выходной сигнал V _OUT от схемы понижающего преобразователя будет составлять V _IN x (0,5 / 1) или половину от 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 замедляются; 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 потребоваться устранение отрицательных напряжений. В таких условиях можно использовать схему, показанную на рис. 3.1.5. Это включает в себя изменение положения L1 и D1 и изменение полярности C по сравнению со схемой на рис. 3.1.2. Этот вариант 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.

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ – Понижающие и повышающие преобразователи. | by Savini Hemachandra

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Преобразователь постоянного тока в постоянный – это силовая электронная схема, которая используется для преобразования постоянного напряжения в другой уровень постоянного напряжения.Существует много различных типов преобразователей постоянного тока в постоянный. Например,

• Buck
• Boost
• Buck-Boost
• Преобразователь Cuk…

Понижающий и повышающий преобразователи

Понижающий преобразователь используется для понижения напряжения на данном входе для достижения необходимого выход. Понижающий преобразователь используется во многих приложениях,

• USB на ходу
• преобразователи точки нагрузки для ПК и ноутбуков
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Quad Copters
• Солнечные зарядные устройства
• усилитель мощности звука

Повышающие преобразователи повышают , заданное постоянное напряжение на выходе в соответствии с требованиями.Несколько применений повышающих преобразователей упоминаются ниже:

• Гибридные электрические схемы
• Светодиодный драйвер
• Солнечная система питания
• Применимо для светодиодных задних фонарей и вспышек

Понижающий преобразователь

Как упоминалось ранее, это шаг понижающий преобразователь напряжения постоянного тока в постоянный. К достоинствам можно отнести простоту и невысокую стоимость.

Вот конструкция понижающего преобразователя, который можно использовать для питания нагрузки 5 В / 10 Вт.Предположим, что напряжение питания преобразователя составляет 10 В, а частота коммутации преобразователя составляет 50 кГц.

Конструкция понижающего преобразователя

Расчеты

Обозначения и примечания

Расчет продолжительности включения

Напряжение индуктора

Среднее напряжение,

Если предположить, что преобразователь работает в установившемся режиме; энергия, запасенная в индукторе в конце интервала переключения, равна энергии в начале. Это означает, что ток катушки индуктивности равен при t равном нулю и интервалу переключения.

Расчет необходимой индуктивности для ограничения пульсаций тока до 20% от выходного постоянного тока.

Ток через катушку индуктивности

Расчет необходимой емкости для ограничения пульсаций выходного напряжения до 5% от выходного напряжения постоянного тока.

Ток через конденсатор

1. Ток индуктора и напряжение в установившемся режиме

Понижающий преобразователь – обзор

2.5.1.3 Пример моделирования

Понижающий преобразователь теперь рассматривается в качестве примера.Частота переключения понижающего преобразователя составляет 20 кГц, его входное напряжение В _g = 400 В, выходное напряжение В = 200 В, а параметры схемы L = 3,5 мГн, C = 50 мкФ , и R = 30 Ом. В Приложении предоставляется сценарий MATLAB, который может выполнять проектирование контроллеров в VMC и PICM_FB.

Пример 3.1:

Понижающий преобразователь в VMC

Из (2.1) передаточная функция Gvd (s) между управлением и выходом представлена ​​на рис.2.16. Обратите внимание, что фаза этой передаточной функции приближается к –180 градусов на высоких частотах, т. Е. В диапазоне частот, в котором желательно выбрать полосу управления напряжением, что ясно указывает на необходимость подвода фазы через производную составляющую в ПИД-регуляторе напряжения, который имеет быть разработанным.

Рисунок 2.16. График Боде передаточной функции Gvd (s) между управлением и выходом.

ПИД-регулятор напряжения с передаточной функцией (2.74) разработан с частотой кроссовера f _{c_VM} = 1 кГц и запасом по фазе PM_ _VM = 52 градуса.Прежде всего, выбирается относительно небольшой интегральный коэффициент.

(2,77) Ki = 5

С помощью MATLAB можно вычислить величину и фазу этой передаточной функции на частоте кроссовера.

(2,78) | Gvd (jωc_VM) | = 67,1815

(2,79) arg [Gvd (jωc_VM)] = – 1,7293e + 02

Из (2,72) фаза регулятора напряжения равна

(2,80) arg [Gc (jωc_VM)] = 44.9280

Подставляя (2.78) – (2.80) в (2.75) и (2.76), окончательно вычисляются коэффициенты пропорциональности и производной.

(2,81) Kp = 0,0105

(2,82) Kd = 1,7997e − 06

Построение графика (2,74) со значениями (2,77), (2,81) и (2,82) показано на рис. 2.17. Обратите внимание, что усиление падает на высоких частотах. Контурное усиление TVM показано на рис. 2.18. Также отображается полученный по фазе запас по фазе на частоте кроссовера.

Пример 3.2:

Понижающий преобразователь в PICM_FB

Рисунок 2.17. График Боде передаточной функции управления напряжением Gc (s).

Рисунок 2.18. График Боде коэффициента TVM (s) усиления контура напряжения с запасом по фазе 50,4 градуса, задержкой 0,000138 с, при f = 1010 Гц, стабильная замкнутая петля = Да.

Управление внутренним током и внешним напряжением построено на двухэтапном подходе. Сначала конструируется регулировка тока, затем – регулировка напряжения. Чтобы спроектировать внутреннее управление током, функция передачи тока между элементом управления и индуктором GiLd (s) (2.4) является объектом, и она показана на рис. 2.19. Обратите внимание, что можно использовать простой ПИ-регулятор, поскольку фаза этой передаточной функции приближается к –90 градусов на высоких частотах, т.е.е., частотный диапазон, в котором желательно выбрать текущую полосу пропускания управления.

Рисунок 2.19. График Боде передаточной функции GiLd (s) по току от управляющего элемента к катушке индуктивности.

ПИ-регулятор тока с передаточной функцией (2.62) разработан с частотой кроссовера f _{c_PICM} = 2 кГц и запасом по фазе PM_ _PICM = 80 градусов.

С помощью MATLAB можно вычислить величину и фазу передаточной функции объекта на частоте кроссовера.

(2,83) | GiLd (jωc_PICM) | = 9,4350

(2,84) arg [GiLd (jωc_PICM)] = – 89,8862

Из (2,61) фаза внутреннего регулятора тока равна

(2,85) arg [ Gc_I (jωc_PICM)] = – 10,1138

Подставляя (2.83) – (2.85) в (2.63) и (2.64), можно вычислить пропорциональные и интегральные коэффициенты.

(2,86) Kp_I = 0,1043

(2,87) Ki_I = 2,3388e + 02

Построение графика (2,62) со значениями (2,86) и (2,87) приведено на рис. 2.20. Контурное усиление TPICM (s) показано на рис.2.21. Также отображается полученный запас по фазе на частоте кроссовера.

Рисунок 2.20. График Боде текущей передаточной функции управления Gc_I. (S).

Рисунок 2.21. График Боде TPICM (s) усиления внутреннего токового контура с запасом по фазе 80 градусов, задержкой 0,000111 с, при f = 2000 Гц, стабильность замкнутого контура = Да.

Чтобы спроектировать внешний контур напряжения, проектировщику необходимо принять во внимание объект, полученный в результате интеграции внутреннего регулятора тока в модель преобразователя, схематически представленную на рис.2.15. Эта передаточная функция называется входом управления током в выходное напряжение Gvc (s), и она показана на рис. 2.22.

Рисунок 2.22. График Боде зависимости текущего управляющего входа от выходного напряжения Gvc (s).

ПИ-регулятор напряжения с передаточной функцией (2.65) разработан с частотой кроссовера f _{c_PICM_VM} = 0 ,1 кГц и запасом по фазе PM_ _{PICM_FB} = 80 градусов.

Опять же, с помощью MATLAB можно вычислить величину и фазу передаточной функции объекта на частоте кроссовера.

(2,88) | Gvc (jωc_PICM_FB) | = 19,6696

(2,89) arg [Gvc (jωc_PICM_FB)] = – 47,2628

Из (2,68) фаза внутреннего регулятора тока равна

(2,90) arg Gc_V (jωc_PICM_FB)] = – 52.7372

Подставляя (2.88) – (2.90) в (2.66) и (2.67), можно вычислить пропорциональные и интегральные коэффициенты.

(2,91) Kp_V = 0,0308

(2,92) Ki_V = 25,4228

Построение графика (2,65) со значениями (2,91) и (2,92) приведено на рис. 2.23. Контурное усиление TPICM_FB (s) показано на рис.2.24. Также отображается полученный по фазе запас по фазе на частоте кроссовера.

Рисунок 2.23. График Боде передаточной функции управления напряжением Gc_v (s).

Рисунок 2.24. График Боде усиления внутреннего контура напряжения TPICM_FB (s) с запасом по фазе 80 градусов, задержкой 0,00222 с, при f = 100 Гц, стабильность замкнутого контура = Нет.

Руководство по проектированию схем для преобразователей постоянного / постоянного тока (1/10)

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный?

В этом руководстве содержатся советы по проектированию цепей преобразователей постоянного тока в постоянный.Как спроектировать схемы преобразователя постоянного тока в постоянный, которые удовлетворяют требуемым спецификациям при различных ограничениях, описано с использованием как можно большего количества конкретных примеров.

Свойства цепей преобразователя постоянного / постоянного тока (такие как КПД, пульсации и переходная характеристика нагрузки) могут быть изменены с помощью их внешних частей. Оптимальные внешние части обычно зависят от условий эксплуатации (входных / выходных характеристик). Цепь источника питания часто используется как часть цепей коммерчески доступных продуктов и должна быть спроектирована так, чтобы удовлетворять ограничениям, таким как размер и стоимость, а также требуемым электрическим характеристикам.Обычно стандартные схемы, перечисленные в каталогах, разрабатываются путем выбора таких деталей, которые могут обеспечить приемлемые свойства в стандартных условиях эксплуатации. Эти детали не обязательно оптимальны для индивидуальных условий эксплуатации. Следовательно, при разработке отдельных продуктов стандартные схемы должны быть изменены в соответствии с их индивидуальными техническими требованиями (такими как эффективность, стоимость, монтажное пространство и т. Д.). Разработка схемы, удовлетворяющей требованиям спецификации, обычно требует большого опыта и знаний.В этом руководстве с использованием конкретных данных описано, какие части следует изменить и как их изменить для выполнения требуемых операций без специальных знаний и опыта. Вы сможете быстро и успешно управлять схемами преобразователя, не выполняя сложных расчетов схем. Вы можете проверить свой проект либо путем тщательного расчета позже самостоятельно, либо с помощью персонала, обладающего знаниями и опытом, если вы чувствуете себя неуверенно.

Типы и характеристики преобразователей постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток

доступны в двух типах схем:

1. Неизолированные типы:
   • Базовый (одна катушка) тип
   • Емкостная муфта (двухкатушечная) типа ―― SEPIC, Zeta и др.
   • Нагнетательный насос (без переключаемого конденсатора / катушки) тип
2. Изолированные типы:
   • Типы трансформаторной муфты―― Тип переднего трансформатора
   • Типы трансформаторной муфты―― Обратный трансформатор типа

Характеристики отдельных типов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики цепей преобразователя постоянного тока в постоянный

Тип цепи		№деталей (Монтажная площадка)	Стоимость	Выходная мощность	Пульсация
Неизолированный	Базовый	Малый	Низкий	Высокая	Малый
	SEPIC, Zeta	Средний	Средний	Средний	Средний
	Нагнетательный насос	Малый	Средний	Малый	Средний
Изолированный	Трансформатор передний	Большой	Высокая	Высокая	Средний
	Обратный трансформатор	Средний	Средний	Средний	Высокая

В схеме базового типа работа ограничена либо повышением, либо понижением, чтобы минимизировать количество деталей, а входная и выходная стороны не изолированы.На рисунке 1 показана повышающая схема, а на рисунке 2 – понижающая. Эти схемы обеспечивают такие преимущества, как небольшой размер, низкая стоимость и небольшая пульсация, и спрос на них растет в соответствии с потребностями в уменьшении размеров оборудования.

Рисунок 1: Повышающая схема

Рисунок 2: Понижающая схема

С SEPIC и Zeta конденсатор вставляется между V _IN и V _OUT повышающей цепи и понижающей схемой основного типа, и добавляется одна катушка.Они могут быть сконфигурированы как повышающие или понижающие преобразователи постоянного / постоянного тока с использованием повышающей ИС контроллера постоянного тока и понижающего контроллера постоянного тока, соответственно. Однако, поскольку некоторые ИС контроллеров постоянного / постоянного тока не предполагается использовать с этими типами цепей, убедитесь, что ваши ИС контроллеров постоянного / постоянного тока могут использоваться с этими типами цепей. Конденсаторная связь типа с двумя катушками имеет преимущество, позволяющее обеспечить изоляцию между V _IN и V _OUT . Однако увеличенные катушки и конденсаторы снизят эффективность.В частности, во время понижения эффективность существенно снижается, обычно примерно до 70-80%.

Тип нагнетательного насоса не требует змеевика, что позволяет минимизировать площадь и высоту установки. С другой стороны, этот тип не обеспечивает высокую эффективность для приложений, которым требуется широкий спектр выходных мощностей или больших токов, и ограничивается приложениями для управления белыми светодиодами или для питания ЖК-дисплеев.

Цепь изолированного типа также известна как первичный источник питания (основной источник питания).Этот тип широко используется для преобразователей переменного тока в постоянный, которые генерируют мощность постоянного тока в основном из имеющегося в продаже источника переменного тока (от 100 В до 240 В), или для приложений, в которых требуется изоляция между входной и выходной сторонами для устранения шумов. В этом типе входная и выходная стороны разделены с помощью трансформатора, а повышением, понижением или реверсом можно управлять, изменяя коэффициент трансформации трансформатора и полярность диода. Таким образом, вы можете отключить множество источников питания из одной цепи питания.Если используется обратный трансформатор, схема может состоять из относительно небольшого количества частей и может использоваться в качестве цепи вторичного источника питания (местного источника питания). Однако обратный трансформатор требует пустот, чтобы предотвратить магнитное насыщение сердечника, увеличивая его размеры. Если используется прямой трансформатор, можно легко найти большой источник питания. Эта схема, однако, требует схемы сброса на первичной стороне, чтобы предотвратить намагничивание сердечника, увеличивая количество частей.Кроме того, стороны входа и выхода IC контроллера должны быть заземлены отдельно.

Основные принципы работы преобразователей постоянного тока в постоянный

Принципы работы повышения и понижения в цепях преобразователя постоянного / постоянного тока будут описаны с использованием самого основного типа. Схемы других типов или схемы, использующие катушки, могут считаться составленными из комбинации повышающей схемы и понижающей схемы или их прикладных схем.

На рисунках 3 и 4 показаны операции повышающей схемы.На рисунке 3 показан ток при включении полевого транзистора. Пунктирная линия показывает небольшой ток утечки, который снижает эффективность при малой нагрузке. Электрическая энергия накапливается в L, пока полевой транзистор включен. На рисунке 4 показан ток при выключенном полевом транзисторе. Когда полевой транзистор выключен, L пытается сохранить последнее значение тока, а левый край катушки принудительно фиксируется на V _IN для подачи питания для увеличения напряжения до V _OUT для работы в режиме повышения.Следовательно, если полевой транзистор включен дольше, в L накапливается гораздо больший электрический ток, что позволяет получить большую мощность. Однако, если полевой транзистор включен слишком долго, время подачи питания на выходную сторону становится слишком коротким, и потери в течение этого времени увеличиваются, что снижает эффективность преобразования. Следовательно, значение максимальной нагрузки (отношение времени включения / выключения) обычно определяется таким образом, чтобы поддерживать соответствующее значение.

В повышающем режиме токи, показанные на рисунках 3 и 4, повторяются:

Рисунок 3: Ток при включении полевого транзистора в повышающей цепи

Рисунок 4: Ток при отключении полевого транзистора в повышающей цепи

На рисунках 5 и 6 показаны операции понижающей схемы.На рисунке 5 показан ток при включении полевого транзистора. Пунктирная линия показывает небольшой ток утечки, который ухудшит эффективность в условиях малой нагрузки. Когда полевой транзистор включен, электрическая энергия накапливается в L и подается на выходную сторону. На рисунке 6 показан ток, когда полевой транзистор выключен. Когда полевой транзистор выключен, L пытается сохранить последнее текущее значение и включает SBD. В это время напряжение на левом крае катушки принудительно падает ниже 0 В, уменьшая напряжение на V _OUT .Следовательно, если полевой транзистор включен дольше, в L накапливается гораздо больший электрический ток, что позволяет получить большую мощность. С понижающей схемой, когда полевой транзистор включен, питание может подаваться на выходную сторону, и нет необходимости определять максимальную нагрузку. Следовательно, если входное напряжение ниже, чем выходное напряжение, полевой транзистор остается включенным. Однако, поскольку операция повышения отключена, выходное напряжение также снижается до уровня входного напряжения или ниже.

В режиме понижения токи, показанные на рисунках 5 и 6, повторяются:

Рисунок 5: Ток при включении полевого транзистора в понижающей цепи

Рисунок 6: Ток при отключении полевого транзистора в понижающей цепи

4 критических момента при проектировании схем преобразователя постоянного тока в постоянный

Среди технических требований для цепей преобразователя постоянного / постоянного тока критическими считаются следующие:

1. Стабильная работа (не может быть нарушена из-за сбоя в работе, такого как ненормальное переключение, перегорание или перенапряжение)
2. Высокая эффективность
3. Малая пульсация на выходе
4. Хорошая реакция на переходные процессы при нагрузке

Эти свойства можно до некоторой степени улучшить, изменив ИС преобразователя постоянного тока в постоянный и внешние детали.