Принцип работы преобразователя напряжения: Принцип работы инвертора напряжения

Принцип работы инвертора напряжения

Инвертор напряжения (ИН, DC/AC converter) предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой от источника постоянного тока в электрическую энергию переменного тока.

Эта технология применяется в различных сферах. Преобразователи работают как автономно, так и в составе сложных систем, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных объектов. Востребованность инверторов связана с развитием технологий и появлением риска потери ценных данных и остановки оборудования при отключении питания.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы инвертора напряжения с чистым синусом и отметим преимущества данной технологии. Вы узнаете об отличительных особенностях эксплуатации преобразователей от ведущих производителей.

Как работает инвертор напряжения с «чистым синусом»

Принцип работы такого инвертора напряжения выглядит следующим образом.

1. В результате предварительного преобразования формируется напряжение постоянного тока, близкое по значению к выходному синусоидальному напряжению.

После этого энергия направляется на мостовой инвертор.

2. На мостовом ИН происходит преобразование постоянного напряжения в переменное. Его форма приближена к синусоидальной. Нужные характеристики достигаются за счет применения специального принципа управления транзисторами (многократной широтно-импульсной коммутации).
Принцип этой технологии заключается в следующем. На интервале каждого полупериода соответствующая пара транзисторов мостового ИН многократно коммутируется на высокой частоте. Длительность подачи импульсов варьируется по синусоидальному закону.

3. Высокочастотный фильтр нижних частот придает напряжению точную синусоидальную форму («чистый синус»).
Кроме описанной выше схемы существуют и другие принципы построения и работы инверторов.

Такое оборудование применяют реже, т. к. устройства имеют существенные недостатки по сравнению с инверторами с «чистым синусом».

Преимущества применения инверторов с «чистым синусом»

Начнем с того, что многие современные аппараты оснащают импульсными блоками питания. Для них форма напряжения не имеет значения. Присутствующие на рынке телевизоры, магнитофоны, зарядные устройства и некоторые другие виды техники будут одинаково хорошо работать при подключении к любому инвертору. На режим работы оборудования повлияет только действующее значение напряжения.

Однако существует большая группа приборов, которая либо совсем не будет работать при подключении к инвертору с прямоугольной/ступенчатой формой напряжения, либо будет работать, но при этом ухудшатся эксплуатационные характеристики и сократится срок службы. Некоторые виды техники могут в скором времени выйти из строя. В эту группу оборудования входят приборы с трансформаторными БП, некоторые LCD-телевизоры, синхронные электродвигатели, насосы и газовые котлы, применяемые в системах отопления, кондиционеры и другие используемые в промышленности и быту агрегаты.

Вывод: преобразователи напряжения с «чистым синусом» универсальны. Режим работы любого устройства, подключенного к такому инвертору, будет правильным и стабильным.

Особенности оборудования ведущих производителей

Основные лидеры рынка — Victron Energy и Out Back Power. Инверторы этих концернов распространены по всему миру и находят применение в различных сферах.

Работа инверторов обеспечивает резервное электроснабжение:

• загородных домов;
• фермерских хозяйств;
• банков;
• медицинских учреждений;
• передвижных лабораторий;
• транспортных средств;
• технических помещений;
• промышленных предприятий;
• коммерческих зданий и других объектов различного назначения.

Инверторные установки Victron Energy имеют ряд преимуществ:

• Надежность. Концерны применяют передовые технологии в процессе производства оборудования. Инверторы устойчивы к двукратным перегрузкам.
• Долговечность. Техника служит десятки лет.
• Простота введения в эксплуатацию. Подключение агрегатов происходит без каких-либо проблем.
• Удобство. Инверторы запускаются в автоматическом режиме. Работа не сопровождается образованием выхлопных газов. Устройства практически бесшумны.
• Большой набор полезных функций. При необходимости вы сможете добавить мощность к сети или генератору или подключить инверторы к альтернативным источникам энергии.

 

1 декабря 2016

---

принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated

17 декабря 2019

Александр Русу (г. Одесса)

Общий КПД

импульсного преобразователя в электронных приборах малой мощности с автономным питанием снижается в основном за счет тока утечки схемы управления. Свести этот ток практически к нулю помогут интегральные DC/DC из новой серии nanoPower производства Maxim Integrated.

На сегодняшний день найти или изготовить самостоятельно высококачественный преобразователь постоянного напряжения мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт не представляет особой сложности. Однако питание оборудования, потребляемая мощность которого измеряется микроваттами, уже является серьезной технической проблемой, ведь при таких уровнях потребления увеличивается относительная величина «накладных расходов» в виде затрат энергии на работу схемы управления, что приводит к ощутимому снижению КПД преобразователя в целом. Кроме этого, практически во всех современных устройствах, питающихся от батарей, активно используются энергосберегающие режимы, в которых все неиспользуемые в данный момент системы отключаются от источника энергии. А это еще больше ужесточает требования к узлам питания, ведь теперь они должны иметь еще и минимально возможный ток утечки в выключенном состоянии.

При этом количество устройств с батарейным питанием с каждым годом постоянно увеличивается, а требования к ним ужесточаются. Поэтому большинство ведущих производителей электронных компонентов регулярно предлагают инженерам новые решения в этой области.

Не осталась в стороне и компания Maxim Integrated, которая не так давно представила линейку микросхем nanoPower, отличающихся сверхмалым энергопотреблением. На сегодняшний день в этой линейке присутствуют малопотребляющие операционные усилители, компараторы, датчики температуры и другие узлы, активно использующиеся в самых разнообразных радиотехнических устройствах. Конечно же, Maxim Integrated не оставил без внимания и сектор DC/DC преобразователей напряжения, разработав в рамках данного направления целые семейства специализированных микросхем с ультрамалым энергопотреблением.

Сравнение линейного и импульсного способов преобразования

Самой популярной схемой преобразователей постоянного напряжения можно назвать понижающую, ведь в реальной аппаратуре задача уменьшения напряжения возникает намного чаще, чем увеличения или изменения его полярности. Но уменьшить входное напряжение можно двумя способами: импульсным и линейным. Поскольку каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, а значит – и свои области применения, то разработчику необходимо их изучить.

Фундаментальную разницу между линейным и импульсным способами уменьшения напряжения можно понять из рисунка 1.

Линейный стабилизатор работает по принципу резистивного делителя напряжения. Его регулирующий элемент (транзистор VT1) функционирует в активном режиме, обеспечивая такое падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера, чтобы выходное напряжение V_OUT на нагрузке R_LOAD находилось в заданных пределах. Поскольку через транзистор VT1 протекает весь ток нагрузки I_OUT, КПД данной схемы будет напрямую зависеть от разницы напряжений между входом и выходом (формула 1):

$$\eta =\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\frac{I_{OUT}\times V_{OUT}}{I_{OUT}\times V_{IN}}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где Р_IN и P_OUT – соответственно, входная и выходная мощности преобразователя.

Рис. 1. Сравнение линейного и импульсного способов уменьшения напряжения

И теперь становится очевидным главный недостаток линейных стабилизаторов – чем больше разница напряжений между входом и выходом, тем меньше его КПД, причем практически вся «лишняя» мощность выделяется на регулирующем элементе VT1, что требует установки его на радиатор, размеры которого порой превосходят размеры всех остальных элементов устройства.

До недавнего времени линейные стабилизаторы строились на основе биполярных кремниевых транзисторов, у большинства из которых падение напряжения между коллектором и эмиттером физически не могло быть меньше 1 В. Для стабилизаторов с относительно высоким выходным напряжением (более 5 B) такое падение напряжения было еще вполне приемлемым, однако в современных микроконтроллерных устройствах напряжение питания которых может быть меньше 1 В, использование биполярных транзисторов в таком режиме недопустимо.

В свое время это привело к созданию линейных стабилизаторов, использующих в качестве регулирующих элементов полевые транзисторы, которые, как известно, лишены такого ограничения. Эти стабилизаторы в русскоязычной литературе получили название «стабилизаторы с низким падением напряжения», или LDO-стабилизаторы/регуляторы (Low-Drop Out Regulator). Поскольку при малой разнице напряжений между входом и выходом КПД LDO-стабилизаторов не уступает импульсным преобразователям, а их масса, габариты и уровень электромагнитных помех при этом намного меньше, они до сих пор активно используются в современной технике.

В импульсных преобразователях активный режим полупроводниковых компонентов не используется принципиально. В рассматриваемом примере (рисунок 1) транзистор VT1 работает в ключевом режиме, периодически подключая нагрузку R_LOAD к источнику питания на время t_ON. Это означает, что выделение мощности на силовых полупроводниковых компонентах теоретически может быть сколько угодно малым и не зависит от соотношения напряжений между входом и выходом, что является главным преимуществом данных схем. К сожалению, от такого способа преобразования появляется и главный недостаток – пульсирующий характер выходного напряжения с высоким содержанием высокочастотных гармоник.

Поскольку использовать подобное напряжение для питания потребителей в большинстве случаев не представляется возможным, то на выходе импульсных преобразователей необходимо устанавливать фильтры, уменьшающие пульсации выходного напряжения. Причем в этих фильтрах должны обязательно использоваться реактивные элементы, способные накапливать энергию (активный фильтр на полупроводниковых транзисторах для этой цели не подойдет). А это означает, что импульсный преобразователь просто физически не может быть миниатюрным, ведь энергетическая емкость реактивных компонентов прямо пропорциональна массе и объему использованного в них магнитного или диэлектрического материала.

Если сравнить достоинства и недостатки линейных и импульсных преобразователей (таблица 1), то окажется, что они взаимно компенсируют друг друга. Поэтому на практике очень часто используются гибридные системы: импульсный преобразователь формирует некоторое промежуточное напряжение невысокой стабильности с относительно высоким уровнем пульсаций, а окончательная точная регулировка уже осуществляется с помощью линейных LDO-стабилизаторов.

Таблица 1. Сравнение импульсного и линейного способов преобразования

Метод	Импульсный	Линейный
Соотношение входного и выходного напряжений	Любое	Выходное напряжение не может быть больше входного
Точность стабилизации выходного напряжения	Из-за того что энергия преобразуется «порциями», точность выходного напряжения зависит от характера переходных процессов и метода стабилизации	Теоретически не ограничена. Практически определяется уровнем шумов и стабильностью характеристик используемых компонентов
Уровень пульсаций выходного напряжения	Высокий. При использовании некоторых методов управления (гистерезисных) принципиально не может быть низким	Теоретически может быть сколь угодно малым. Практически ограничен быстродействием используемых компонентов
Уровень электромагнитных помех	Высокий из-за высоких скоростей изменения напряжений и токов	Теоретически может быть сколь угодно малым
КПД	Высокий	Определяется разностью напряжений между входом и выходом
Масса и габариты	Зависят от частоты преобразования. Обычно больше, чем у линейных преобразователей	Зависят от уровня рассеиваемой мощности. При малых мощностях могут быть микроскопическими
Сложность схемы	Сложная	Относительно простая
Стоимость	Относительно высокая	Низкая
Основная сфера применения	Преобразователи с высоким соотношением входного и выходного напряжений, преобразователи рода тока, многоканальные преобразователи и прочие	Стабилизаторы для узлов, требующих прецизионного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций и электромагнитных помех

В современном оборудовании линейные преобразователи в основном используются для питания маломощных узлов, требующих высококачественного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций, а также в приложениях, чувствительных к уровню электромагнитных помех, а импульсные – во всех остальных случаях (по возможности).

Однако у линейных преобразователей есть один серьезный недостаток, который в ряде случаев делает их использование невозможным – выходное напряжение линейного преобразователя принципиально не может быть больше входного. А это означает, что в случаях, когда напряжение необходимо увеличить или изменить его полярность, импульсный способ преобразования является практически безальтернативным. 

Принцип работы импульсных преобразователей

На сегодняшний день существует множество импульсных преобразователей постоянного напряжения, отличающихся количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и прочими характеристиками. Однако наиболее простыми, а следовательно, и наиболее популярными являются всего четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рисунок 2). Эти преобразователи используют одинаковый принцип работы, имеют идентичное количество компонентов и отличаются лишь способом коммутации накопительного дросселя L₁, от режима работы которого и зависят все характеристики схемы. 2\times L_{1}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Поскольку на первом этапе энергия в дросселе увеличивается, то его очень часто называют этапом накопления или заряда дросселя.

После размыкания ключа S₁ на выводах всех обмоток дросселя формируется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, присутствовавшей на первом этапе, это означает, что дроссель L₁ теперь становится не потребителем, а источником электрической энергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который и обеспечивает путь протекания тока на втором этапе, называемом этапом возврата, или разряда дросселя.

Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S₁ также будет максимальным, однако его величина I_MAX2 может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):

$$E=\frac{I_{MAX2}^2\times L_{2}}{2},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где L₂ – индуктивность обмотки, активной на втором этапе. 2\times A_{L},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где A_L – конструктивный параметр магнитопровода.

После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне V_L2, под действием которого ток дросселя за время t_OFF уменьшится на величину dI₂ (формула 7):

$$dI_{2}=\frac{V_{L2}}{L_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

В квазиустановившемся режиме, когда отсутствуют какие-либо переходные процессы как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, дроссель на втором этапе преобразования должен отдать всю энергию, накопленную на первом интервале. Это означает, что к моменту начала следующего цикла его ток должен быть таким же, как и в начале предыдущего. Для схем с однообмоточным дросселем dI₁ = -dI₂, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются Законом полного тока (формула 8):

$$dI_{1}\times N_{1}=-dI_{2}\times N_{2}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Подставляя в формулу 8 соотношения 2 и 7, с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее величины напряжений на выводах обмоток дросселя с отношением длительностей основных этапов преобразования:

$$\frac{V_{L1}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{L2}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Формула 9 является основой для получения регулировочной характеристики преобразователя – зависимости выходного напряжения от относительной длительности первого этапа преобразования D = t_ON/(t_ON + t_OFF). Однако для того чтобы получить эти зависимости, далее необходимо рассматривать каждую схему в отдельности.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь (Step-Down Converter, Buck Converter) обычно имеет только одну обмотку, поэтому N₁ = N₂. На первом этапе преобразования к дросселю приложена разница входного и выходного напряжений (V_L1 = V_IN – V_OUT), а на втором – только выходное напряжение (V_L2 = V_OUT), как показано на рисунке 4. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 10:

$$\left(V_{IN}-V_{OUT} \right)\times t_{ON}=-V_{OUT}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Следовательно (формула 11):

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{ON}+t_{OFF}}=V_{IN}\times D\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Принцип работы понижающего преобразователя

Из формулы 11 видно, что выходное напряжение V_OUT понижающего преобразователя не может превышать входное V_IN, иначе левая часть уравнения станет отрицательной, к дросселю на обоих этапах преобразования будет приложено однополярное напряжение, и схема работать не будет.  

Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь (Step-Up Converter, Boost Converter) также обычно строится на основе однообмоточного дросселя (N₁ = N₂). На первом этапе преобразования, когда ключ S₁ замкнут, к обмотке дросселя приложено полное напряжение питания (V_L1 = V_IN), а вот на втором есть разница между входным и выходным напряжениями (V_L1 = V_OUT – V_IN), как показано на рисунке 5. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 12:

$$V_{IN}\times t_{ON}=-\left(V_{OUT}-V_{IN} \right)\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Из формулы 12 теперь можно получить уравнение для регулировочной характеристики (формула 13):

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}+t_{OFF}}{t_{OFF}}=V_{IN}\times \frac{1}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Рис. 5. Принцип работы повышающего преобразователя

Как и в понижающем преобразователе, формула 13 накладывает ограничения на соотношение напряжений V_IN и V_OUT. При V_OUT < V_IN правая часть формулы 13 изменит свой знак, и дроссель перестанет отдавать энергию. Поэтому повышающий преобразователь может только увеличивать входное напряжение.

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (V_L1 = V_IN), а на втором – полное выходное напряжение (V_L2 = V_OUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (формула 14):

$$\frac{V_{IN}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{OUT}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

Но, поскольку инвертирующие преобразователи обычно строятся на основе однообмоточных дросселей, для которых N₁ = N₂, то их регулировочная характеристика при работе во всех режимах, кроме разрывного, несколько проще (формула 15):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Ключевой особенностью обратноходового преобразователя является возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. В этом случае обмотки дросселя могут иметь разное количество витков (формула 16):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

Для инвертирующего преобразователя, вход и выход которого имеют один общий провод, выходное напряжение V_OUT по абсолютному значению может быть как больше, так и меньше входного V_IN. Однако оно обязательно должно иметь обратную полярность, ведь ни продолжительность первого t_ON, ни второго t_OFF этапов преобразования не могут быть отрицательными. Для обратноходового преобразователя обеспечение двухполярного напряжения на обмотке осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. Если это правило будет нарушено, то обратноходовой преобразователь работать не будет (фактически он превратится в прямоходовой, который имеет несколько иной принцип работы).

При использовании в понижающей, повышающей и инвертирующей схемах дросселя с одной обмоткой наибольшая эффективность преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ V_IN…V_OUT ≤ 10. Если же входное напряжение отличается от входного больше чем в 10 раз, тогда, в соответствии с формулой 9, длительность одного из этапов преобразования (t_ON или t_OFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимости соотношения напряжения на входе и выходе преобразователей (VOUT/VIN) от соотношения длительностей первого и второго этапов (tON/tOFF)

При этом становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, поскольку при малых длительностях t_ON или t_OFF увеличиваются пульсации токов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому уменьшению КПД, вплоть до физической невозможности реализации данного режима (необходимая длительность t_ON или t_OFF может оказаться меньше чем время включения/выключения полупроводникового компонента). Поэтому при большой разнице напряжений между входом и выходом используют автотрансформаторное включение дросселей, при котором транзистор или диод подключаются к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N₁ ≠ N₂ и формулы 10…15 придется выводить заново из базового соотношения формулы 9.

Рис. 8. Понижающий преобразователь с автотрансформаторным включением дросселя, работающий при большой разнице напряжений (VIN >>VOUT)

Особенности преобразователей nanoPower

Как видно из принципа работы, максимальное значение КПД импульсных преобразователей теоретически не ограничено. Но на практике всегда будут потери из-за неидеальности элементной базы, поэтому реальное значение КПД силовой части у наилучших представителей импульсных преобразователей находится на уровне 98…99%.

Однако при расчете КПД преобразователя в целом следует учитывать также и затраты энергии на работу схемы управления. Если рассмотреть структурные схемы контроллеров, реализующих два наиболее популярных на сегодняшний день метода управления – по напряжению (рисунок 9) и по току (рисунок 10), – то можно увидеть, что для обеспечения выходного напряжения необходимого качества требуется достаточно большое количество узлов. И хоть на сегодняшний день технологии изготовления полупроводниковых микросхем находится на очень высоком уровне, тем не менее, когда мощность силовой части преобразователя ничтожно мала, ток потребления узлов управления может оказаться соизмеримым с током нагрузок.

Рис. 9. Контроллер преобразователя с методом управления по напряжению

Рис. 10. Контроллер преобразователя с методом управления по току

У контроллеров преобразователей постоянного напряжения можно выделить три основных тока, на которые следует обращать внимание при выборе: ток, потребляемый от входной I_QINT, выходной I_QOUT цепи в активном режиме и ток утечки I_SDT, потребляемый микросхемой в выключенном состоянии (рисунок 11). Эти токи, по возможности, должны быть минимальными, ведь чем они меньше – тем выше КПД преобразователя.

Рис. 11. Пути протекания токов IQINT, IQOUT и ISDT микросхемы MAX17222

Из этих параметров наиболее важным для устройств с батарейным питанием является ток утечки I_SDT. И связано это с их спецификой работы, ведь как показывает практика, большую часть времени они находятся либо в спящем (дежурном), либо в выключенном состоянии. Поскольку физически отключить схему управления преобразователя от источника питания в большинстве случаев не представляется возможным, ток утечки I_SDT будет напрямую влиять на время автономной работы.

В интегральных преобразователях постоянного напряжения nanoPower основной технологией уменьшения токов I_QINT, I_QOUT и I_SDT является тщательная проработка схемотехники внутренних узлов контроллера и процессов изготовления интегральных компонентов. Из других методов уменьшения собственного энергопотребления можно также выделить отключение резистивного делителя выходного напряжения, используемого в цепи обратной связи. Все это позволило добиться впечатляющих значений собственного энергопотребления этих узлов. Так, например, для микросхем повышающих преобразователей MAX17220/21/22/23/24/25 ток, потребляемый от цепей нагрузки (I_QOUT), не превышает 300 нА, а токи, потребляемые от источника питания (I_QINT, I_SDT) равны всего 0,5 нА.

Кроме этого, повышающие преобразователи имеют одну специфическую особенность, на которую также необходимо обращать внимание. При использовании в качестве верхнего ключа полупроводниковых диодов или n-канальных MOSFET становится невозможным полное отключение выходного напряжения – при остановке преобразователя на его выходе присутствует напряжение питания, которое приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому в микросхемах nanoPower реализована также технология True Shutdown, блокирующая появление напряжения на выходе преобразователей при их отключении.

На сегодняшний день в линейку малопотребляющих преобразователей nanoPower входят микросхемы для наиболее популярных схем преобразователей: понижающего и повышающего типов (таблица 2). Линейка повышающих преобразователей MAX17220…25 (рисунок 12) позволяет обеспечить нагрузку выходным напряжением 1,8…5 В, устанавливаемым путем выбора внешнего резистора R_SEL с шагом 0,1 В. Входное напряжение при этом может находиться в диапазоне 0,4…5,5 В.

Высокая степень интеграции позволила использовать для микросхем MAX17220…25 миниатюрные шестивыводные корпуса WLP и µDFN и обойтись минимальным количеством внешних компонентов. Как видно из рисунка 12, кроме обязательных внешних реактивных элементов – конденсаторов C_IN, C_OUT и накопительного дросселя, которые, во-первых технологически сложно изготовить в интегральном исполнении, а во-вторых, их параметры зависят от конкретного приложения, для работы микросхем требуется единственный внешний прецизионный (с точностью 1%) резистор R_SEL, отвечающий за величину выходного напряжения.

Таблица 2. Характеристики микросхем nanoPower

Наименование	Ток, потребляемый от выходных цепей IQOUT, нА	Ток, потребляемый в выключенном состоянии ISDT, нА	Максимальный ток накопительного дросселя, мА	Выходной ток, мА	Корпус	Отладочная плата
MAX38640A	330	5	250	160	WLP/6	MAX38640EVKIT
MAX17220	300	0,5	225	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17222	300	0,5	500	200	WLP/6	MAX17222EVKIT
MAX17223	300	0,5	500	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17224	300	0,5	1000	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17225	300	0,5	1000	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT

Рис. 12. Структурная схема микросхем MAX17220…25

В микросхемах MAX17220…25 реализован метод управления по току, поэтому величина индуктивности накопительного дросселя во многом определяет величину рабочей частоты преобразователя. Для большинства приложений на основе данных микросхем можно использовать малогабаритные дроссели в корпусе 0603 индуктивностью 2,2 мкГн с максимальным током 225 мА, 500 мА или 1 А. Все это позволяет реализовывать ультракомпактные повышающие преобразователи, занимающие на печатной плате площадь, не превышающую 6,75 мм².

Аналогичными характеристиками обладают и микросхемы понижающих преобразователей MAX38640/41/42/43 (рисунок 13), позволяющие понижать входное напряжение 1,8…5,5 В до величины 0,7…3,3 В (микросхемы с суффиксом А) или до 0,5… 5,0 В (с суффиксом B). Так же, как и в рассмотренных выше повышающих преобразователях, для установки выходного напряжения MAX38640…43 используется единственный прецизионный резистор R_SEL, а сами микросхемы требуют всего четырех внешних компонентов.

Рис. 13. Структурная схема микросхем MAX38640…43

Для ускорения выхода продуктов на рынок компания Maxim Integrated предлагает разработчикам максимальную поддержку, не ограничивающуюся только предоставлением всей необходимой технической документации. Так, например, на официальном сайте компании присутствуют математические модели, с помощью которых можно изучить электрические процессы разрабатываемых схем в специализированных средах разработки: автономной EE-Sim® OASIS Simulation Tool на основе ядра SIMPLIS® и онлайновой EE-Sim Design And SimulationTool. Обе среды ориентированы на разработку импульсных источников питания и позволяют на основе предлагаемых шаблонов собрать виртуальный аналог разрабатываемой схемы менее чем за 5 минут.

Кроме этого, для оценки реальных возможностей микросхем nanoPower компания Maxim Integrated предлагает специализированные отладочные платы. Так, например, для микросхем MAX17220…25 доступна отладочная плата MAX17222EVKIT (рисунок 14), состоящая из двух независимых частей, содержащих одну и ту же микросхему MAX17222, но изготовленную в разных корпусах: µDFN и WLP. В каталогах Maxim Integrated присутствует также аналогичная отладочная плата MAX17220EVKIT с установленными микросхемами MAX17220 (в двух вариантах корпусов) и MAX38640EVKIT с установленной микросхемой MAX38640A в корпусе WLP.

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы MAX17222EVKIT

Заключение

Питание от батарей является далеко не тривиальной задачей, ведь для обеспечения максимально возможного времени автономной работы необходима тщательная проработка не только силовой части, но и узлов управления. Однако, как показывает практика, эти задачи целиком и полностью ложатся на плечи производителей электронных компонентов, ведь, как видно из материалов данной статьи, конечным разработчикам остается лишь адаптировать готовые решения под конкретное приложение.

Дополнительные материалы:

Статьи:

1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
3. Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
4. Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
5. Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

 

•••

Наши информационные каналы

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.

Двуполярный 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 С3 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, C3, 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 C3 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 C3 и С4 — 50 мВ.

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

Рис. 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. 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 C3 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. 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, C3.

При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор C3 большой емкости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на C3 — увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и C3 не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора C3 через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора C3 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. 24 и 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.

Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей

Что такое DC/DC преобразователь постоянного тока или описание принципа работы DC/DC преобразователей применяемых для построения источников питания

DC/DC преобразователи питания постоянного тока широко применяются в различных электронных приборах, вычислительной технике, устройствах телекоммуникации, автоматизированных системах управления (АСУ), мобильных устройствах и т.д.
DC/DC преобразователи применяются для изменения выходного напряжения как в большую, так и в меньшую сторону, относительно напряжения на входе.

Типы DC DC преобразователей

DC-DC модуль
Buck-boost DC-DC Модуль преобразования напряжения

Сегодня на рынке существует различные типы DC/DC конвертеров, которые используются потребителями.

1. DC/DC преобразователи без индуктивности.

Для питания маломощных нагрузок выгодно использовать преобразователи на коммутируемых конденсаторах. Использование таких устройств не требует наличия дорогих моточных компонентов, поэтому они позволяют создать дешевые и компактные модули питания. Подобные преобразователи могут быть как с фиксированным напряжением, так регулируемые.

2. DC/DС преобразователи с индуктивностью.

Большой популярностью пользуются преобразователи без гальванической развязки между входом и выходом. В данном типе DC-DC конвертера находится единичный изолированный источник питания. В зависимости от положения ключа, напряжение может повышаться, понижаться или инвертироваться в напряжение с обратной полярностью. Ключевыми элементами часто выступают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы разного типа (FET).

Среди конвертеров с индуктивностью можно встретить следующие типы:

• Понижающий импульсный DC-DC преобразователь. В роли ключа выступает транзистор, управляемый с помощью широтно-импульсного модулятора.
• Повышающий импульсный DC-DC преобразователь. Его особенности мы рассмотрим ниже.
• Преобразователь с регулируемым выходным напряжением. Такие устройства позволяют получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем это нужно? Например, для использования в устройствах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Со временем, когда батарея ослабевает, её напряжение уменьшается, но использование такого преобразователя позволяет всегда поддерживать заданное значение на выходе.
• Преобразователь с любым выходным напряжением. Они способны производить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем они нужны? Например, для использования в схемах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Они имеют напряжение 3,3 В. Со временем эксплуатации ее напряжение уменьшается, и поэтому есть смысл преобразовывать его до 3,3В на выходе. Примером такого устройства является Buck-boost DC DC преобразователь от Террател.

Рис. Составные узлы DC-DC преобразователя

3. DC/DC преобразователь с гальванической развязкой.

В таких преобразователях постоянного тока применяются импульсные трансформаторы с несколькими обмотками, благодаря чему отсутствует связь между входной и выходной цепями.
Для таких устройств характерна большая разница потенциалов между входным и выходным напряжением. Например, они используются в блоках питания импульсных фотовспышек, которые имеют на выходное напряжение около 400В.

Принцип работы DC-DC преобразователя

Описания принципа работы DC/DC преобразователя рассмотрим на следующем примере.

Итак, у нас есть 5В постоянного тока из которых нам необходимо получить большее напряжение. Существует несколько вариантов решения данной задачи. Например, параллельно заряжать конденсаторы, а потом последовательно их переключать. Причем делать это надо очень быстро, по несколько раз в секунду. Конечно, на практике это нереально, поэтому существуют специальные DC/DC преобразователи для решения этой задачи.

Чтобы понять, что такое DC/DC конвертер и какой у него принцип роботы, представим вариант работы системы подачи воды потребителю.

Этап 1 – Процесс разгона турбины.
Для начала нам необходимо разогнать турбину. Для этого открывается заслонка, и вода быстро сливается, передавая часть своей энергии турбине, благодаря чему последняя начинает раскручиваться.

Этап 2 – Заполнение емкости накопителя воды и давления.

Заслонка закрывается. Порция воды, толкаемая раскрученной турбиной-маховиком, приоткрывает клапан и наполняет емкость накопителя воды и давления. Другая часть воды направляется к потребителю, только уже с повышенным давлением от емкости-накопителя. При этом клапан препятствует обратному ходу воды в сторону турбины в случае возникновения большего давления от емкости накопителя.

Этап 3 – Получение энергии из емкости накопителя давления и разгон турбины.

Скорость турбины начинает падать. Давления воды уже не достаточно для продавливания клапана, а энергии в емкости накопителя воды накоплено достаточно. Затем, заслонка открывается снова, и вода начинает быстро раскручивать турбину. При этом поток воды к потребителю не прекращается, так как он получает её из емкости накопителя.

Дальше цикл раскрутки турбины и заполнения емкости накопителя воды и давления повторяется.

По аналогичному принципу работает любой DC DC преобразователь.

Ниже представлена электрическая схема DC DC преобразователя, на которой мы рассмотрим принцип его работы.

При этом роль турбины в электрической схеме DC DC преобразователя выполняет индуктивный дроссель. Вместо заслонки, которая управляет потоком воды, применяется транзистор. Роль клапана выполняет диод, а конденсатор является емкостью для накопителя давления.

Как работает DC DC преобразователь? Все аналогично.

Этап 1 – Накопление заряда индуктивностью.

Ключ замкнут. Индуктивность, получая ток от источника, накапливает энергию.

Этап 2 – Передача энергии в конденсатор.

Ключ размыкается, при этом катушка удерживает накопленную энергию в магнитном поле. Ток старается остаться на том же уровне, но дополнительная энергия из индуктивности подымает напряжение, тем самым открывая путь через диод. Часть энергии попадает к потребителю, а остальная накапливается в конденсаторе.

Этап 3 – Накопление энергии в индуктивности и передача заряда потребителю.

Затем ключ замыкается, и энергия снова начинает накапливаться в катушке. Потребитель, в это время, получает энергию из конденсатора.

Область применения DC/DC преобразователей и дросселей

В различных электронных устройствах, работающих от автономных источников энергии, необходимые уровни напряжений, возможно, получить только с использованием DC/DC преобразователей постоянного тока.

DC/DC конвертеры, преобразователи или дроссели напряжения постоянного тока широко применяются в различных портативных электронных приборах, вычислительной технике, телекоммуникационном оборудовании, автоматизированных системах управления АСУ, автомобилестроении и т.д.

виды, особенности и принцип работы

Преобразователи напряжения широко используются как в быту, так и на производстве. Для производства и промышленности чаще всего изготавливаются по индивидуальному заказу, ведь там нужен мощный преобразователь и не всегда с напряжением стандартной величины. Стандартные величины выходных и входных параметров применяются зачастую в бытовых условиях. То есть преобразователь напряжения — это электронное устройство, которое предназначено для изменения вида электроэнергии, её величины или же частоты.

По своей функциональности они делятся на:

1. Понижающие;
2. Повышающие;
3. Бестрансформаторные;
4. Инверторные;
5. Регулируемые с настройкой частоты и величины выходного переменного напряжения;
6. Регулируемые с настройкой величины постоянного выходного напряжения.

Некоторые из них могут выполняться в специальном герметичном исполнении, такие типы устройств используются для влажных помещений, или же, вообще, для установки под водой.

Итак, что же из себя представляет каждый вид.

Высоковольтный преобразователь напряжения

Такое электронное устройство, которое предназначено для получения переменного или постоянного высокого напряжения (до нескольких тысяч вольт). Например, такие устройства применяются для получения высоковольтной энергии на кинескопы телевизоров, а также для лабораторных исследований и проверки электрооборудования напряжением, повышенным в несколько раз. Кабеля или же силовые цепи масляных выключателей, рассчитанных на напряжение 6 кВ, испытывают напряжением 30 кВ и выше, правда, такая величина напряжения не обладает высокой мощностью, и при пробое сразу же отключается. Эти преобразователи довольно компактны ведь их приходится переносить персоналу от одной подстанции к другой, чаще всего вручную. Нужно заметить, что все лабораторные блоки питания и преобразователи обладаю почти эталонным, точным напряжением.

Более простые высоковольтные преобразователи применяются для запуска люминесцентных ламп. Сильно повысить импульс до нужного можно за счёт стартера и дросселя, которые могут иметь электронную или же электромеханическую основу.

Промышленные установки, выполняющие преобразование более низкого напряжения в высокое, имеют множество защит и выполняются на повышающих трансформаторах (ПТН). Вот одна из таких схем дающая на выходе от 8 до 16 тысяч Вольт, при этом для его работы необходимо всего около 50 В.

Из-за того, что в обмотках трансформаторов вырабатывается и протекает довольно высокое напряжение, то и к изоляции этих обмоток, а также к её качеству предъявляются высокие требования. Для того чтобы устранить возможность появления коронирующих разрядов, детали высоковольтного выпрямителя должны быть припаяны к плате аккуратно, без заусенцев и острых углов, после чего залиты с обеих сторон эпоксидной смолой или слоем парафина толщиной 2…3 мм, обеспечивающим изоляцию друг от друга. Иногда данные электронные системы и устройства называют повышающий преобразователь напряжения.

Следующая схема представляет собой линейный резонансный преобразователь напряжения, который работает в режиме повышения. Он основан на разделении функций повышения U и его чёткой стабилизации в абсолютно разных каскадах.

При этом некоторые инверторные блоки можно заставить работать с минимальными потерями на силовых ключах, а также на выпрямленном мосте, где появляется высоковольтное напряжение.

Преобразователь напряжения для дома

С преобразователями напряжения для дома обычный человек сталкивается очень часто, ведь во многих устройствах есть блок питания. Чаще всего это понижающие преобразователи, имеющие гальваническую развязку. Например, зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, персональные стационарные компьютеры, радиоприёмники, стереосистемы, различные медиапроигрыватели и этот перечень можно продолжать очень долго, так как их разнообразие и применения в быту в последнее время очень широко.

Бесперебойные блоки питания оснащены накопителями энергии в виде аккумуляторов. Такие устройства применяются также для поддержания работоспособности системы отопления, во время неожиданного отключения электроэнергии. Иногда преобразователи для дома могут быть выполнены по инверторной схеме, то есть подключив его к источнику постоянного тока (аккумулятору), работающего за счёт химической реакции можно получить на выходе обычное переменное напряжение, величина которого будет 220 Вольт. Особенностью данных схем является возможность получить на выходе чистый синусоидальный сигнал.

Одной из очень важных характеристик, применяемых в быту преобразователей, является стабильная величины сигнала на выходе устройства, независимо от того сколько вольт подаётся на его вход. Эта функциональная особенность блоков питания связана с тем, что для стабильной и продолжительной работы микросхем и других полупроводниковых устройств необходимо чётко нормированное напряжение, да ещё и без пульсаций.

Основными критериями выбора преобразователя для дома или квартиры являются:

1. Мощность;
2. Величина входного и выходного напряжения;
3. Возможность стабилизации и её пределы;
4. Величина тока на нагрузке;
5. Минимизация нагрева, то есть лучше чтобы преобразователь работал в режиме с запасом по мощности;
6. Вентиляция устройства, может быть естественная или принудительная;
7. Хорошая шумоизоляция;
8. Наличие защит от перегрузок и перегрева.

Выбор преобразователя напряжения дело не простое, ведь от правильно выбранного преобразователя зависит и работа питаемого устройства.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

В последнее время они стали очень популярны, так как на их изготовление, а в частности, производство трансформаторов, нужно тратить немалые средства, ведь обмотка их выполняется из цветного металла, цена на который постоянно растёт. Основное преимущество таких преобразователей это, конечно же, цена. Среди отрицательных сторон есть одно существенно отличающее его от трансформаторных блоков питания и преобразователей. В результате пробоя одного или нескольких полупроводниковых приборов, вся выходная энергия может попасть на клеммы потребителя, а это обязательно выведет его из строя. Вот простейший преобразователь переменного напряжения в постоянное. Роль регулирующего элемента играет тиристор.

Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.

Преобразователи постоянного напряжения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное является самым часто используемым видом устройства этого типа. В быту это всевозможные блоки питания, а на производстве и в промышленности это питающие устройства:

• Всех полупроводниковых схем;
• Обмоток возбуждения синхронных двигателей и двигателей постоянного тока;
• Катушек соленоидов масляных выключателей;
• Оперативных цепей и цепей отключения там, где катушки требуют постоянного тока.

Тиристорный преобразователь напряжения — это наиболее часто применяемый для этих целей аппарат. Особенностью этих устройств является полное, а не частичное, преобразование переменного напряжения в постоянное без всякого рода пульсаций. Мощный преобразователь напряжения такого типа обязательно должен включать в себя радиаторы и вентиляторы для охлаждения, так как все электронные детали могут работать долго и безаварийно, только при рабочих температурах.

Регулируемый преобразователь напряжения

Эти устройства направлены на работу как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения. Чаще всего это всё-таки аппараты, выполняющие плавную регулировку величины выходного сигнала, который ниже входного. То есть на вход подаётся 220 Вольт, а на выходе получаем регулируемую постоянную величину, допустим, от 2 до 30 вольт. Такие приборы с очень тонкой регулировкой применяются для проверки стрелочных и цифровых приборов в лабораториях. Очень удобно когда они оснащены цифровым индикатором. Нужно признать, что каждый радиолюбитель брал за основу своих первых работ именно этот вид, так как питание для определённой аппаратуры может быть разное по величине, а этот источник питания получался весьма универсальным. Как сделать качественный и работающий долгое время преобразователь, вот основная проблема юных радиолюбителей.

Инверторный преобразователь напряжения

Данный тип преобразователей положен в основу инновационных компактных сварочных устройств. Получая для питания переменное напряжение 220 Вольт аппарат выпрямляет его, после чего снова делает его переменным, но уже с частотой несколько десятков тысяч Гц. Это даёт возможность значительно снизить габариты сварочного трансформатора, установленного на выходе.

Также инверторный способ применяется для питания отопительных котлов от аккумуляторных батарей в случае неожиданного отключения электроэнергии. За счёт этого система продолжает работать и получает 220 вольт переменного напряжения из 12 Вольт постоянного. Мощный повышающий аппарат такого назначения должен эксплуатироваться от батареи большой ёмкости, от этого зависит как долго он будет снабжать котёл электроэнергией. То есть емкость при этом играет ключевую роль.

Высокочастотный преобразователь напряжения

За счёт применения повышающих преобразователей появляется возможность уменьшения габаритов всех электронных и электромагнитных элементов, из которых состоят схемы, а это значит снижается и стоимость трансформаторов, катушек, конденсаторов и т. д. Правда, это может вызывать высокочастотные радиопомехи, которые влияют на работу других электронных систем, да и обычных радиоприёмников, поэтому нужно надёжно экранировать их корпуса. Расчет преобразователя и его помех должен производиться высококвалифицированным персоналом.

Что такое преобразователь сопротивления в напряжение?
Это особый вид, который используется только при производстве и изготовлении измерительных приборов, в частности, омметров. Ведь основа омметра, то есть прибора измеряющего сопротивление, выполнена в измерении падения U и преобразовании его в стрелочные или цифровые показатели. Обычно измерения производятся относительно постоянного тока. Измерительный преобразователь — техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации, а также передачи. Он входит в состав какого-либо измерительного прибора.

Преобразователь тока в напряжение

В большинстве случаев все электронные схемы нужны для обработки сигналов, представленных в виде напряжения. Однако иногда приходится иметь дело с сигналом в виде тока. Такие сигналы возникают, например, на выходе фоторезистора или фотодиода. Тогда желательно при первой же возможности преобразовать токовый сигнал в напряжение. Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному U и не зависеть от R нагрузки. В частности, при постоянном входном U ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Ремонт преобразователя напряжения

Ремонт этих устройств для преобразования одного вида напряжения в другой, лучше производить в сервисных центрах, где персонал имеет высокую квалификацию и впоследствии предоставит гарантии выполненных работ. Чаще всего любые современные качественные преобразователи состоят из нескольких сотен электронных деталей и если нет явных сгоревших элементов, то найти поломку и устранить её будет очень сложно. Некоторые же китайские недорогие устройства данного типа, вообще, в принципе лишены возможности их ремонта, чего нельзя сказать об отечественных производителях. Да может они немного громоздкие и не компактные, но зато подлежат ремонту, так как многие из их деталей можно заменить на аналогичные.

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.

принцип работы, выбор > Флэтора

Определение электрического тока

Что называют электрическим током. В каких единицах измеряется сила или величина электрического тока. Что представляет собой электрический ток. Проводники и полупроводники. Законы для электротока. Характеристики электроцепи….

28 03 2021 2:14:35

Добро пожаловать!

Сайт Amperof.ru это ваш помощник по электротехнике, электрооборудованию и электроснабжению! Портал для любителей нашей тематики….

16 03 2021 12:52:11

Тепловые действия электротоков: формула

Закон Джоуля- Ленца и переход энергии в теплоту. Формула, отражающая тепловое действие электрического тока. Применение тепловых действий электротоков. Применение теплового свойства электротока в специальных печах для получения определенных веществ….

08 02 2021 17:48:42

Декор розеток — красота великая сила!

Сейчас на рынке большое разнообразие декоративных розеток, мы покажем лучшие решения для вас! Керамика, дерево, фарфор и многое другое….

07 02 2021 0:46:54

Определяем прямую и обратную полярности аккумуляторов

Разница между прямой и обратной полярностью. Что будет, если перепутать полярность аккумулятора? Определение полярности А К Б без маркировки. Рекомендации по определению и обслуживанию аккумуляторов в зависимости от полярностей….

26 01 2021 17:38:13

Поверхностный (скин-эффект) в проводнике

Общее объяснение скин эффекта. Глубина проникновения: формулы расчетов поверхностных эффектов. Приблизительная формула для определения частоты среза для данного диаметра проводника. Способы подавления скин-эффекта….

26 12 2020 22:21:31

Указатели напряжений: однополюсные двухполисные, до 1000в и свыше

Назначение и виды указателей напряжений. Низковольтное и высоковольтное напряжение и приборы для их определения. Высоковольтные устройства и особенности их применения. Порядок работы с указателем высокого напряжения У В Н 10. Указатели напряжения для проверки совпадения фаз….

22 12 2020 14:47:52

Умный дом — создаем автономную систему

Перечень функций которые выполняет умный дом, варианты применяемого оборудования, а также проектирование умного дома. Как работает система….

20 12 2020 17:13:37

Вопрос — Ответ

Профессионал электрик с большим опытом работы в разных сферах электромонтажа и электроэнергетики отвечает на вопросы пользователей….

06 12 2020 0:41:16

Как проверить аккумулятор прибором мультиметр (вольтметр)

Необходимые параметры для проверки А К Б мультиметром. Измерение напряжения и емкости аккумуляторной батареи. Последовательность действий для определения внутреннего сопротивления аккумулятора. Проверка тока утечки с помощью мультиметра….

26 11 2020 23:22:31

ЦЕПЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА НАПРЯЖЕНИЕ

Схема

Преобразователь частоты в напряжение — это электронное устройство, которое преобразует синусоидальную входную частоту в пропорциональный ток или выходное напряжение. Базовая схема включает операционные усилители и RC-цепи (цепи резисторных конденсаторов). Операционные усилители используются для обработки сигналов. И RC-сети используются для удаления частотно-зависимой пульсации. На схеме ниже показана принципиальная схема преобразователя частоты в напряжение с использованием сетей ОУ и RC:

Входная частота этого преобразователя может находиться в диапазоне 0-10 кГц.А выходное напряжение может находиться в диапазоне от 0 до -10 В.

Блок-схема преобразователя F-V

На приведенной выше блок-схеме показан преобразователь частоты в напряжение. Схема заряжает конденсатор до определенного уровня. В него включен интегратор, и конденсатор разряжается в этот интегратор или в цепь нижних частот. Это происходит для всех циклов входного сигнала. Прецизионный переключатель и моностабильный мультивибратор генерируют импульс определенной амплитуды и периода, который подается в сеть усреднения.Следовательно, мы получаем на выходе постоянное напряжение.

СХЕМА F-V С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ LM331

Это принципиальная схема преобразователя частоты в напряжение, использующего LM331.

Photo Credit circuittoday

Эта ИС в основном представляет собой преобразователь напряжения в частоту, но может использоваться как преобразователь частоты в напряжение. Его приложения также включают аналого-цифровое преобразование и долгосрочную интеграцию.

Преобразователь БС РАБОЧИЙ

В этой схеме lm331 используется для преобразования частоты в напряжение.Напряжение на выходе пропорционально частоте на входе. Это 8-контактная микросхема. Источник подключен к выводу 8 и подает 15 В постоянного тока. Контакты 3 и 4 подключены к земле. Входная частота задается на контакте 6, а выходное напряжение снимается с контакта 1. Входная частота дифференцируется с помощью резистора R7 и конденсатора C3, а затем результирующая последовательность импульсов поступает на контакт 6. Схема таймера запускается встроенной схемой. -в схеме компаратора в ИС, когда отрицательный фронт импульсной последовательности появляется на выводе 6.

Ток, протекающий на выводе 6, пропорционален значениям конденсатора C1 и резистора R1 (которые также известны как компоненты синхронизации) и входной частоте. Таким образом, мы получаем выходное напряжение на резисторе R4, которое пропорционально входной частоте. В этой цепи используется 15 В постоянного тока, но рабочее напряжение IC может быть от 5 до 30 вольт постоянного тока. Величина резистора R3 зависит от напряжения питания.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ F-V

Эти преобразователи используются в широком спектре приложений, таких как связь, управление мощностью, измерительные и измерительные системы и т. Д.

Мы подробно обсудим следующие приложения:

1. Преобразователь частоты в напряжение в тахометрах.
2. Измерение разности частот.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ F / V И ЦИФРОВОЙ ТАХОМЕТР

Цифровой тахометр — это электронное устройство, измеряющее скорость вращения колеса. Они отображают скорость вращения в виде напряжения, поэтому в них требуется преобразователь частоты в напряжение. На схеме ниже показан цифровой тахометр.

Цифровой тахометр

Частоту возникновения некоторых событий можно измерить с помощью измерителя скорости. Он считает события за определенный период времени, а затем делит количество событий на общее время, и, следовательно, мы получаем коэффициент. Это теория работы простого тахометра.

Мы используем микросхему LM2907 для этой схемы тахометра. Это 8-контактная микросхема. На вывод 1 подаем частотный сигнал на вход зарядовой накачки. На выводе 2 напряжение будет между двумя значениями: (V _CC ) — V _BE и ¾ (V _CC ) — V _BE .

На схеме ниже показана конфигурация микросхемы LM2907:

.

Конденсаторы C1 и C2 и резистор R1 имеют определенные значения в соответствии с требованиями схемы. Эти значения можно изучить в техническом паспорте LM2907.

Интерфейс LM2907

Входной сигнал подается на выводе 1 и на выводе 11 применим опорное напряжение. На контакты 8 и 9 подается постоянное напряжение. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом эмиттера.На выводе 5 мы получаем напряжение с низким импедансом, которое пропорционально заданной входной частоте. С вывода 5 и вывода 10 мы получаем выходной сигнал 67 Гц / В. Этот вывод отправляется на АЦП, а затем DSP может прочитать этот вывод.

ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНИЦЫ ЧАСТОТ

TC9400 — это ИС преобразователя частоты в напряжение и напряжения в частоту. Его основные соединения включают в себя три цепи резисторов, два конденсатора и опорного напряжения. Мы можем использовать две микросхемы TC9400 и работать с ними в режиме преобразования частоты в напряжение, чтобы получить измерения разности частот.

Мы используем два преобразователя и получаем V1 и V2 как два отдельных выхода. Единичное усиление инвертирует напряжение V2, поступающее от преобразователя 2 ^nd F / V. Подключен операционный усилитель, который складывает как напряжения V1, так и инвертированное напряжение –V2. Эта сумма будет пропорциональна фактической разнице частот между F1 и F2. В цепь также включен преобразователь V / F, который дает частотный выход, который снова пропорционален разности частот между F1 и F2. Таким образом, мы получаем измерение разности частот как по частоте, так и по напряжению.На диаграмме ниже показана схема измерения разности требований f .

Помимо этих двух приложений, существует множество других приложений преобразователей F / V, таких как делители / умножители частоты, частотные декодеры, частотомеры, регуляторы скорости двигателя и т. Д., Которые можно легко найти на нескольких веб-страницах.

Как работает преобразователь постоянного тока в постоянный ток?

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный или описание принципа работы преобразователей постоянного тока в постоянный ток, используемых для создания источников питания

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток широко используются в различных электронных устройствах, вычислительных инструментах, телекоммуникационных устройствах, промышленных системах управления, мобильных устройствах. устройства и т. д.Преобразователи постоянного / постоянного тока
используются для увеличения или уменьшения выходного напряжения по отношению к входному напряжению.

Типы преобразователей постоянного тока в постоянный

 
 Модуль постоянного тока в постоянный 
 
 Понижающий-повышающий преобразователь постоянного напряжения в постоянный 
 

Сегодня на рынке доступны различные типы преобразователей постоянного тока в постоянный.

1. Неиндуктивные преобразователи постоянного тока в постоянный

Для питания маломощных нагрузок целесообразно использовать преобразователи на основе переключающих конденсаторов.Для использования этих преобразователей не требуются дорогостоящие комплектующие, что позволяет создавать доступные и компактные блоки питания. Такие преобразователи могут иметь как фиксированное, так и регулируемое напряжение.

2. Индуктивные преобразователи постоянного тока в постоянный

Преобразователи без гальванической развязки между входом и выходом широко популярны. Этот преобразователь имеет единственный изолированный источник питания. В зависимости от положения ключа напряжение может быть увеличено, уменьшено или инвертировано для изменения полярности напряжения.Ключевыми компонентами часто являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы (FET) различных типов.
Индуктивные преобразователи бывают следующих типов:

• Преобразователь импульсов с понижением частоты. Ключевым моментом здесь является транзистор, управляемый широтно-импульсным модулятором.
• DC / DC преобразователь импульсов с повышением частоты. Его особенности описаны ниже.
• Преобразователь с регулируемым выходным напряжением. Эти преобразователи позволяют иметь как более высокое, так и более низкое выходное напряжение. Зачем они нам нужны? Например, их можно использовать в изделиях с напряжением, устанавливаемым литий-ионным аккумулятором.Со временем батарея медленно разряжается и ее напряжение падает, но использование этого преобразователя позволяет постоянно поддерживать заданное значение выходной мощности.
• Преобразователь с любым выходным напряжением. Эти преобразователи могут генерировать как более высокое, так и более низкое выходное напряжение. Зачем они нам нужны? Например, их можно использовать в цепях с напряжением, задаваемым литий-ионным аккумулятором. Они имеют напряжение 3,3 В. В процессе работы его напряжение падает, что имеет смысл преобразовать его в 3.3В на выходе.Примером такого преобразователя является повышающий DC / DC преобразователь от Terratel.

Рис. Основные детали преобразователя постоянного тока в постоянный

3. Преобразователи постоянного тока в постоянный с гальванической развязкой

В этих преобразователях используются импульсные трансформаторы с несколькими катушками, что позволяет исключить связь между входными и выходными цепями.
Эти преобразователи отличаются большой разницей между входным и выходным напряжениями. Например, они используются в блоках питания импульсных фотовспышек с выходным напряжением около 400 В.

Принцип работы преобразователя постоянного / постоянного тока

Итак, наше текущее напряжение составляет 5 вольт, и нам нужно преобразовать его в более высокое значение. Для этого есть несколько вариантов. Один из вариантов — заряжать конденсаторы параллельно, а затем последовательно их переключать. Делать это нужно очень быстро, несколько раз в секунду. На практике этого невозможно достичь, и поэтому для решения этой проблемы используются специальные преобразователи постоянного тока в постоянный.

Чтобы понять, как работает этот преобразователь, представим, что мы сантехники.

Фаза 1 — Ускорение турбины
Сначала нам нужно разогнать турбину. Для этого открывается дроссель, и вода выходит, быстро передавая часть своей энергии турбине, в результате чего турбина начинает вращаться.

Этап 2 — Наполнение резервуара для хранения под давлением

Дроссельная заслонка закрывается. Часть воды, выталкиваемая половиной маховика вращающейся турбины, открывает клапан и заполняет резервуар. Другая часть воды направляется к потребителю под высоким давлением, создаваемым резервуаром для хранения.В то же время клапан предотвращает обратное движение воды.

Этап 3 — Выработка энергии из резервуара для хранения давления и ускорение турбины .

Скорость турбины начинает падать. Вода больше не может толкать клапан, а в накопительном баке еще накоплено достаточно энергии. Затем дроссель снова открывается, и вода начинает быстро вращать турбину. Поток энергии, идущей к потребителю, не прекращается, поскольку потребитель получает ее из накопительного бака.

Затем цикл повторяется.
Теперь, когда принцип работы понятен, перейдем от сантехнического оборудования к электронике.
У нас есть индуктивный дроссель вместо турбины. Транзистор используется вместо дросселя, который регулирует поток воды. Диод действует как вентиль, а конденсатор используется вместо резервуара для хранения давления.
Вот так выглядит преобразователь DC / DC. Как это работает? Почти то же.

Фаза 1 — индуктивность накапливает заряд

Ключ закрыт.Индуктивность накапливает энергию, получая ток от источника.

Этап 2 — Передача энергии конденсатору

Ключ открывается, и катушка удерживает накопленную энергию в магнитном поле. Ток пытается оставаться на том же уровне, но дополнительная энергия от индуктивности повышает напряжение, тем самым открывая путь через диод. Некоторая часть энергии направляется к потребителю, а оставшаяся энергия накапливается в конденсаторе.

Этап 3 — Накопление энергии в индуктивности и передача заряда потребителю

Затем ключ запирается, и катушка снова начинает накапливать энергию.При этом потребитель получает энергию от конденсатора.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследовать
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT

Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

измерений — Как работает преобразователь частоты в напряжение?

TL; DR

История FVC, в основном и хронологически, выглядит следующим образом:

• дозатор, состоящий из ограничителя напряжения, конденсатора и диодов;
• Два операционных усилителя и конденсатор
• Два операционных усилителя и конденсатор плюс резистор утечки
• LM131
• Каскадное соединение двух или более быстрых фильтров Саллена-Ки
• Контур фазовой автоподстройки частоты
• Цифровой

---

Вы не говорите, какой преобразователь частоты в напряжение (FVC) вы используете или на чем он основан (LM331, LM131, AD650, ADVFC32, LM2907 / LM2917 и т. Д.Есть много способов выполнить преобразование частоты в напряжение — есть как аналоговые, так и цифровые методы, и в этих лагерях снова есть различные способы достижения того же самого.

Если вы хотите увидеть, как появился FVC, то вот интересное историческое объяснение , основанное на основах: Что все это за штука с преобразователем частоты в напряжение? Он написан Робертом А. Пизом, парнем, который разработал LM131 для National, так что эта информация, так сказать, прямо из уст лошади.PDF-файл также доступен оттуда.

Я попытаюсь резюмировать статью ниже:

Аналог

Первая версия

Тридцать лет назад один парень спросил его, может ли он показать ему, как сделать преобразователь частоты в напряжение (FVC), когда он работал в компании George A. Philbrick Researches. Он сконструировал дозатор из ограничителя напряжения, конденсатора и диодов. Видно, неплохо получилось.

Вторая версия

В 1964 году он поместил новую версию в старое Руководство по приложениям Philbrick.

Первый усилитель имеет ограниченное выходное напряжение. Напряжение p-p на конденсаторе довольно хорошо установлено:

В размах = 2Vz + 2Vd — 2Vd

Итак, заряд (Q = C × V p-p) протекает через резистор обратной связи второй усилитель. Выходное напряжение в среднем составит:

Vвых. = Rf × C × V p-p × f

Третья версия

Несколько лет спустя он занялся производством преобразователей напряжения в частоту (VFC), и в то же время он придумал улучшенную схему для FVC (см. Рисунок 2).

Входной компаратор настроен на работу с TTL сигналов, но если поставить резистор со входа + на -15 В, можно размещать симметричные сигналы; резистор от входа + к земле уменьшит гистерезис и позволит вам обрабатывать небольшие сигналы.

Реальным усовершенствованием этого FVC был резистор утечки, добавленный 3,3 МОм к правому концу конденсатора.

LM131

После того, как он покинул Philbrick, он присоединился к National и разработал преобразователь напряжения в частоту LM131 ³ , используя идеи, совершенно отличные от любой из схем Philbrick.

Он использовал Q = I × T, а не Q = C × V используется всеми Philbrick. Не нужно было ± 15 В; Это может работать при +15, или +30, или +12, или +5 В — гораздо проще применить. Но это все еще было такое же ограничение, когда вы использовали его как преобразователь F-to-V: Если вам нужна низкая пульсация, сложно получить быстрый отклик.

Каскадирование двух или более быстрых фильтров Саллена-Ки

В 1978 году он написал заметку по применению о том, как улучшить время отклика FVC — в «Справочнике по линейным приложениям».

Я показал, как каскадировать два или более быстрых фильтра Саллена-Ки, чтобы дать достаточно быстрый отклик, но отфильтровывать пульсации на уровне 24 дБ на октаву.

Контур фазовой автоподстройки частоты

В 1979 году он написал еще одну заметку к приложению, показывающую, как использовать контур фазовой автоподстройки частоты, чтобы сделать более быстрый преобразователь F-to-V, примерно за 2 мс.

Это около 10 циклы новой частоты — дальнейшее улучшение 20: 1.

Цифровой

Быстрые часы и цифровой счетчик

Недавно один парень спросил его, как сделать FVC 60 Гц с быстрым откликом. и незначительное отставание или задержка.

Я сказал ему, что стандартная процедура использовать быстрые часы и цифровой счетчик. Но количество отсчетов собранных за один период, линейно пропорционален периоду сигнал, и вам, возможно, придется выполнить некоторые цифровые вычисления, чтобы преобразовать это в сигнал, представляющий частоту. Тогда я понял что «умножающий» ЦАП может использоваться для деления в обратном режиме.

Он построил это, и это сработало. Этот преобразователь частоты в напряжение устанавливает частоту за один цикл и использует только небольшое количество деталей.

Цифровая логика генерирует пару импульсов в момент каждого нарастающий фронт входящей частоты (вы можете использовать какой-нибудь двойной одноразовый мультивибратор, но таких у меня не было). В первый импульс загружает данные с CD4040 в ЦАП (импульс также отключает путь от часов к счетчику, чтобы избежать путаница от ряби в счетчике). Затем второй импульс сбрасывается счетчик.

MDAC имеет встроенные регистры памяти, поэтому данные счетчика подается прямо на ЦАП при подаче импульса WRITE-2-bar.В MDAC не подключен штатным образом, с переменным сопротивлением во входном пути. Постоянный резистор находится на входе, а импеданс, управляемый цифровым кодом, подключен как обратная связь резистор. Это позволяет умножающему ЦАП действовать как делитель, поэтому взаимная функция выполняется аккуратно — не в цифровой сфере и не в аналоговом мире, но на пороге между ними. (Подробнее об этом в несколько месяцев). LM607BN был выбран для операционного усилителя, потому что вам нужно низкий смещение. Это дешево, Vos обычно составляет всего 25 мкВ (макс.), а также горшок-триммер не нужен.

---

Я серьезно рекомендую вам прочитать исходную статью, поскольку в моей сокращенной версии, к сожалению, пришлось опустить большинство важных технических фактов.

Принцип работы

и его функциональные возможности

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Существуют различные типы силовых электронных преобразователей, которые часто используются в системах электроснабжения, таких как преобразователь мощности, регулируемый источник питания, источник питания постоянного тока и так далее.Преобразователи силовой электроники могут быть классифицированы как преобразователь или выпрямитель переменного тока в постоянный, преобразователь или инвертор постоянного тока в переменный, преобразователь переменного тока в переменный, преобразователь постоянного тока в постоянный и так далее. Эти преобразователи снова классифицируются на разные типы на основе разных критериев. Если мы рассматриваем преобразователи постоянного тока в постоянный, они классифицируются как понижающие преобразователи постоянного тока, повышающие преобразователи постоянного тока и повышающие-понижающие преобразователи постоянного тока. Здесь мы подробно обсудим преобразователи постоянного тока в постоянный, принцип работы и функции.

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Преобразователь постоянного тока в постоянный — это силовое электронное устройство, которое принимает входное напряжение постоянного тока, а также обеспечивает выходное напряжение постоянного тока. Выходное напряжение преобразователя постоянного тока в постоянный может быть больше входного напряжения или наоборот. Выходные напряжения преобразователя используются для согласования источника питания, необходимого для нагрузки. Подключением и отключением источника питания к нагрузке можно управлять с помощью переключателя в простой схеме преобразователя постоянного тока в постоянный. Цепи преобразователя постоянного тока в постоянный ток состоят из транзисторного или диодного переключателя, устройств накопления энергии, таких как катушки индуктивности или конденсаторы, и эти преобразователи обычно используются в качестве линейных регуляторов напряжения или импульсных регуляторов напряжения.Преобразователи постоянного тока в постоянный используются для обеспечения регулируемого источника питания постоянного тока, постоянного источника питания постоянного тока для электрических и электронных схем проекта.

Принцип работы и функции преобразователя постоянного тока в постоянный

Чтобы понять принцип работы и функции преобразователя постоянного тока, давайте рассмотрим принцип работы повышающего преобразователя постоянного тока.

Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный

Низкое входное постоянное напряжение преобразуется в высокое выходное постоянное напряжение с помощью повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный.Поскольку входное напряжение повышается по сравнению с выходным напряжением, его также называют повышающим преобразователем. Как правило, преобразователи постоянного тока в постоянный можно проектировать с использованием силовых полупроводниковых переключающих устройств и дискретных электрических и электронных компонентов.

В преобразователе постоянного тока в постоянный преобразователь работает в двух режимах:

• Режим непрерывной проводимости
• Режим прерывистой проводимости

Цепь режима непрерывной проводимости повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный

Схема режима непрерывной проводимости постоянного тока в постоянный На рисунке показан повышающий преобразователь, который состоит из катушки индуктивности, конденсатора, коммутирующего устройства, диода и источника входного напряжения.Этот переключатель схемы повышающего преобразователя управляется с помощью широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Если этот переключатель находится в состоянии ВКЛ, тогда в индукторе будет вырабатываться энергия, и, таким образом, на выход будет подаваться больше энергии.

Схема режима прерывистой проводимости повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный

Схема режима прерывистой проводимости повышающего преобразователя постоянного тока показана на рисунке и состоит из таких элементов, как конденсатор, катушка индуктивности, источник напряжения, диод и переключающее устройство.В этом режиме прерывистой проводимости, если переключатель находится во включенном состоянии, энергия будет подаваться на элемент накопления энергии, индуктор. Если переключатель находится в выключенном состоянии в течение некоторого времени, то ток индуктора достигнет нуля до следующего цикла переключения. Таким образом, конденсатор заряжается и разряжается относительно входного напряжения. Но здесь выходное напряжение в режиме прерывистой проводимости меньше, чем выходное напряжение в режиме непрерывной проводимости.

Аналогичным образом понижающие преобразователи используются для преобразования высокого входного постоянного напряжения в низкое выходное постоянное напряжение.Понижающие-повышающие преобразователи используются для поддержания высокого или низкого выходного напряжения постоянного тока в зависимости от источника входного постоянного напряжения. Если входное напряжение постоянного тока высокое, выходное напряжение будет низким, и наоборот. Таким образом, мы можем поддерживать стабилизированное постоянное напряжение с помощью повышающих преобразователей.

Практический пример преобразователя постоянного тока в постоянный

Преобразователь постоянного тока 12 В в 24 В можно рассматривать как практический пример преобразователя постоянного тока в постоянный (повышающий преобразователь), который используется в качестве источника питания постоянного тока.

В некоторых случаях нам требуется 24 В постоянного тока от источника 12 В.Эта схема достаточно хорошо подходит для преобразования постоянного тока 12В в 24В. Эта схема способна выдавать устойчивый выходной сигнал 24C постоянного тока и выдавать выходной ток до 800 мА. Схема представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, разработанный с использованием микросхемы LM324, которая сконфигурирована как генератор. Этот LM324 используется для определения частоты переключения, а транзистор используется в качестве полупроводникового переключающего элемента.

IC LM324 является основным компонентом этой схемы преобразователя постоянного тока в постоянный. LM324 — это четырехъядерный операционный усилитель, и из этих четырех операционных усилителей внутри ИС только два используются в этой схеме.Генератор формируется IC1a, R1, R2, R3 и C1, этот генератор работает около 500 Гц. Используя резистор R2 и конденсатор C1, мы можем установить частоту генератора. Компаратор образован микросхемой IC1b, которая используется для сравнения выходного напряжения с опорным напряжением и для управления выходным напряжением это напряжение обратной связи подается на каскад генератора.

Схема преобразователя постоянного тока с 12 В в 24 В

Предустановка R5 подключена к неинвертирующему выводу IC1 для формирования схемы делителя потенциала.Инвертирующий входной контакт подключен к выходу через резистор 100 кОм. Выход этого компаратора IC1b подается на неинвертирующий входной вывод IC1a через другой резистор 100 кОм. Выходной сигнал генератора IC1a подается на вывод базы транзистора Q1 через резистор R7 для ограничения тока базы транзистора Q1.

Если на выходе генератора IC1a высокий уровень, то транзистор Q1 включается, и ток, проходящий через катушку индуктивности L1, увеличивается. Если на выходе генератора IC1a низкий уровень, тогда транзистор Q1 отключается, и, таким образом, ток индуктивности проходит через D2, C3 и нагрузку, если таковая имеется в цепи.Обратный диод D2 смещается в прямом направлении и, таким образом, во включенном состоянии энергия накапливается в катушке индуктивности. Эта накопленная энергия будет сброшена в конденсатор. Диод D1 действует как диод свободного хода.

Мы знаем, что, согласно свойству индуктора, он всегда пытается противодействовать резкому изменению тока, проходящего через него. Благодаря этому свойству индуктора, когда индуктор заряжен, он накапливает энергию, а когда индуктор разряжается, он действует как источник энергии. Напряжение, которое он подает во время разряда, пропорционально скорости изменения тока через него.Если частота переключения увеличивается, то наведенная ЭДС от катушки индуктивности также увеличивается.

Для получения дополнительной информации о силовых преобразователях и проектах силовой электроники, не стесняйтесь обращаться к нам, оставляя свои комментарии в разделе комментариев ниже.

Типы регуляторов напряжения и принцип работы | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Как работает регулятор напряжения?

Стабилизатор напряжения — это схема, которая создает и поддерживает фиксированное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки.

Регуляторы напряжения (VR) поддерживают напряжение источника питания в диапазоне, совместимом с другими электрическими компонентами. Хотя регуляторы напряжения чаще всего используются для преобразования мощности постоянного / постоянного тока, некоторые из них также могут выполнять преобразование мощности переменного / переменного или переменного / постоянного тока. В этой статье речь пойдет о регуляторах постоянного / постоянного напряжения.

Типы регуляторов напряжения: линейные и импульсные

Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Оба типа регулируют напряжение в системе, но линейные регуляторы работают с низким КПД, а импульсные регуляторы работают с высоким КПД.В высокоэффективных импульсных регуляторах большая часть входной мощности передается на выход без рассеивания.

Линейные регуляторы

В линейном стабилизаторе напряжения используется устройство активного прохода (например, BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Для того, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление устройства прохода путем сравнения внутреннего опорного напряжения для дискретизированного выходного напряжения, а затем вождения ошибки к нулю.

Линейные регуляторы — это понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих регуляторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны и обладают низким уровнем шума, а также малыми колебаниями выходного напряжения.

Линейные регуляторы, такие как MP2018, требуют только входной и выходной конденсаторы для работы (см. Рисунок 1) . Их простота и надежность делают их интуитивно понятными и простыми устройствами для инженеров, а зачастую и очень рентабельными.

Рисунок 1: Линейный регулятор MP2018

Импульсные регуляторы

Схема импульсного регулятора обычно более сложна в разработке, чем линейный регулятор, и требует выбора значений внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательного проектирования компоновки.

Импульсные регуляторы

могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейный регулятор.

Преимущества импульсных регуляторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокие токи и более широкие приложения VIN / VOUT.Они могут достичь эффективности более 95% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных регуляторов, для импульсной системы питания могут потребоваться дополнительные внешние компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, полевые транзисторы или резисторы обратной связи. HF920 является примером импульсного стабилизатора, который обеспечивает высокую надежность и эффективное регулирование мощности (см. Рисунок 2) .

Рисунок 2: Импульсный регулятор HF920

Ограничения регуляторов напряжения

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в определенных случаях использования они рассеивают большое количество энергии.Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при входном напряжении 5 В и выходном напряжении 3 В между клеммами возникает падение на 2 В, а эффективность ограничивается 3 В / 5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низкими дифференциалами VIN / VOUT.

Важно учитывать предполагаемое рассеивание мощности линейного регулятора в приложении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к высокому рассеянию мощности, которое может привести к перегреву и повреждению компонентов.

Еще одним ограничением линейных регуляторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных регуляторов, которые также предлагают повышающее (повышающее) и понижающее-повышающее преобразование.

Импульсные регуляторы

очень эффективны, но некоторые недостатки включают то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно. Шум может быть очень важным для конкретного приложения, поскольку шум может повлиять на работу и производительность схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

Топологии импульсного регулятора

: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый

Существуют различные топологии линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто используют топологию с малым падением напряжения (LDO). Для импульсных регуляторов существует три распространенных топологии: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и понижающие-повышающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

Регуляторы LDO

Одной из популярных топологий линейных регуляторов является стабилизатор с малым падением напряжения (LDO).Линейные регуляторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Тем не менее, стабилизатор LDO разработан для работы с очень небольшой разницей напряжения между входными и выходными клеммами, иногда до 100 мВ.

Понижающие и повышающие преобразователи

Понижающие преобразователи

(также называемые понижающими преобразователями) принимают большее входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) принимают более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.

Пониженно-повышающие преобразователи

Понижающий-повышающий преобразователь — это одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выхода в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного напряжения.

Управление регулятором напряжения

Четыре основные компоненты линейного регулятора являются проход транзистора, усилитель ошибки, опорное напряжение, и сетевой резистор обратной связи. Один из входов усилителя ошибки установлен двумя резисторами (R1 и R2) для контроля процентного значения выходного напряжения.Другой входом является ссылкой стабильного напряжения (VREF). Если дискретизированное выходное напряжение изменяется относительно VREF, усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Для работы линейных регуляторов

обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их внедрение.

С другой стороны, импульсный стабилизатор требует большего количества компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между VIN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход.Подобно линейному регулятору, есть операционный усилитель, который производит выборку выходного постоянного напряжения из цепи обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы вернуть выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.

Приложения для линейных и импульсных регуляторов

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к затратам, чувствительны к шуму, слаботочны или ограничены в пространстве. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую ​​как наушники, носимые устройства и устройства Интернета вещей (IoT). Например, в таких приложениях, как слуховой аппарат, можно использовать линейный регулятор, поскольку в них нет переключающего элемента, который мог бы создавать нежелательный шум и влиять на работу устройства.

Более того, если проектировщики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно беспокоиться о рассеивании мощности, и они могут полагаться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы полезны для более общих приложений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения (см. Рисунок 3) . Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подходит импульсный стабилизатор, так как линейный регулятор может создавать большое рассеивание мощности, которое может повредить другие электрические компоненты.

Рисунок 3: Понижающий регулятор MPQ4430-AEC1

Каковы основные параметры микросхемы регулятора напряжения?

Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, — это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая топология VR совместима с ИС пользователя.

Другие параметры, включая ток покоя, частоту переключения, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от приложения.

Ток покоя важен, когда приоритетом является эффективность в режимах малой нагрузки или ожидания. Если рассматривать частоту коммутации как параметр, максимальное увеличение частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, термическое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и его рассеивания по системе. Если контроллер включает в себя внутренний полевой МОП-транзистор, то все потери (проводящие и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи — еще один важный параметр, который необходимо изучить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Это стандарт, чтобы посмотреть на опорное напряжение параметров. Это ограничивает более низкое выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного напряжения.

Как правильно выбрать регулятор напряжения

Чтобы выбрать подходящий регулятор напряжения, разработчик должен сначала понять его ключевые параметры, такие как V _IN , V _OUT , I _OUT , системные приоритеты (например,грамм. эффективность, производительность, стоимость), а также любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация хорошего энергопотребления (PG) или включение управления.

После того, как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее желаемым требованиям. Таблица параметрического поиска — ценный инструмент для дизайнеров, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для соответствия требуемым параметрам для вашего приложения.

Каждое устройство MPS поставляется с таблицей данных, в которой подробно описано, какие внешние компоненты необходимы и как рассчитать их значения для достижения эффективной, стабильной и высокопроизводительной конструкции.Таблицу данных можно использовать для расчета таких значений компонентов, как выходная емкость, выходная индуктивность, сопротивление обратной связи и другие ключевые компоненты системы. Кроме того, вы можете использовать инструменты моделирования, такие как программное обеспечение DC / DC Designer или MPSmart, ознакомиться с примечаниями к применению или задать вопросы в местном FAE.

MPS предлагает множество эффективных, компактных линейных и импульсных стабилизаторов напряжения, включая семейство HF500-x, семейство MP171x, MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1 и MPQ2013-AEC1.

Список литературы

Глоссарий по электронной инженерии

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Buck Boost Converter Теория схем работы и применения

Понижающий повышающий преобразователь — это преобразователь постоянного тока в постоянный. Выходное напряжение преобразователя постоянного тока в постоянный ток меньше или больше входного напряжения.Выходное напряжение по величине зависит от скважности. Эти преобразователи также известны как повышающие и понижающие трансформаторы, и эти названия происходят от аналогичных повышающих и понижающих трансформаторов. Входные напряжения повышаются / понижаются до некоторого уровня больше или меньше входного напряжения. Благодаря использованию низкой энергии преобразования входная мощность равна выходной мощности. Следующее выражение показывает минимум конверсии.

Входная мощность (Pin) = Выходная мощность (Pout)

Для повышающего режима входное напряжение меньше выходного напряжения (Vin

Vin Iout

В понижающем режиме входное напряжение больше выходного напряжения (Vin> Vout). Отсюда следует, что выходной ток больше входного. Следовательно, понижающий повышающий преобразователь — это понижающий режим.

Vin> Vout и Iin

Что такое повышающий понижающий преобразователь?

Это тип преобразователя постоянного тока в постоянный, имеющий величину выходного напряжения.Оно может быть больше или меньше величины входного напряжения. Понижающий повышающий преобразователь аналогичен схеме обратного хода, а вместо трансформатора используется одиночная катушка индуктивности. В понижающем повышающем преобразователе есть два типа преобразователей: понижающий преобразователь, а другой — повышающий преобразователь. Эти преобразователи могут выдавать диапазон выходного напряжения, превышающий входное. На следующей схеме показан базовый понижающий повышающий преобразователь.

Понижающий повышающий преобразователь

Принцип работы пониженно-повышающего преобразователя

При работе преобразователя постоянного тока в постоянный ток индуктор на входном сопротивлении имеет неожиданное изменение входного тока.Если переключатель включен, то индуктор питает энергию от входа и накапливает энергию магнитной энергии. Если переключатель замкнут, он разряжает энергию. Выходная цепь конденсатора считается достаточно высокой, чем постоянная времени RC-цепи на выходном каскаде. Огромная постоянная времени сравнивается с периодом переключения и удостоверяется, что в установившемся режиме выходное напряжение постоянного тока Vo (t) = Vo (константа) присутствует на клеммах нагрузки.

В понижающем повышающем преобразователе есть два различных типа принципа работы.

• Понижающий преобразователь.
• Повышающий преобразователь.

Работа понижающего преобразователя

На следующей диаграмме показана работа понижающего преобразователя. В понижающем преобразователе первый транзистор включен, а второй транзистор выключен из-за высокой частоты прямоугольной волны. Если на затворе первого транзистора больше, чем ток проходит через магнитное поле, заряжается C, и он питает нагрузку. D1 — это диод Шоттки, и он выключен из-за положительного напряжения на катоде.

Рабочий понижающий преобразователь

Катушка индуктивности L является исходным источником тока. Если первый транзистор выключен с помощью блока управления, тогда ток течет в понижающем режиме. Магнитное поле катушки индуктивности схлопывается, и создается обратная ЭДС, коллапсирующее поле меняет полярность напряжения на катушке индуктивности. В диоде D2 протекает ток, нагрузка и диод D1 будут включены.

Разряд индуктора L уменьшается за счет тока.Во время первого транзистора в одном состоянии происходит заряд аккумулятора в конденсаторе. Ток протекает через нагрузку и в период выключения поддерживает Vout в разумных пределах. Следовательно, он сохраняет минимальную амплитуду пульсаций, и Vout приближается к значению Vs

Boost Converter Working

В этом преобразователе первый транзистор постоянно включен, а для второго транзистора прямоугольная волна высокой частоты подается на вывод затвора. Второй транзистор находится в проводящем состоянии, когда во включенном состоянии и входной ток течет от катушки индуктивности L через второй транзистор.Отрицательный вывод заряжает магнитное поле вокруг индуктора. Диод D2 не может проводить, потому что анод находится на потенциальной земле из-за высокой проводимости второго транзистора.

Работа повышающего преобразователя

При зарядке конденсатора C нагрузка прикладывается ко всей цепи в состоянии ВКЛ, и она может создавать более ранние циклы генератора. Во время включения конденсатор C может регулярно разряжаться, и выходное напряжение может иметь высокую частоту пульсаций. Приблизительная разность потенциалов определяется приведенным ниже уравнением.

VS + VL

Во время периода выключения второго транзистора индуктивность L заряжается, а конденсатор C разряжается. Катушка индуктивности L может создавать обратную ЭДС, и ее значения зависят от скорости изменения тока второго транзисторного ключа. Величина индуктивности, которую может занимать катушка. Следовательно, обратная ЭДС может создавать любое другое напряжение в широком диапазоне, определяемом конструкцией схемы. Следовательно, полярность напряжения на катушке индуктивности L теперь изменилась.

Входное напряжение дает выходное напряжение и по крайней мере равно входному напряжению или превышает его. Диод D2 смещен в прямом направлении, и ток, приложенный к току нагрузки, перезаряжает конденсаторы до VS + VL, и он готов для второго транзистора.

Режимы понижающих повышающих преобразователей

В понижающем повышающем преобразователе есть два различных типа режимов. Ниже приведены два разных типа повышающих преобразователей.

• Режим непрерывной проводимости.
• Прерывистый режим проводимости.

Режим непрерывной проводимости

В режиме непрерывной проводимости ток от конца до конца индуктора никогда не достигает нуля. Следовательно, индуктор частично разряжается раньше, чем цикл переключения.

Режим прерывистой проводимости

В этом режиме ток через индуктор стремится к нулю. Следовательно, индуктор полностью разряжается в конце циклов переключения.

Применение понижающего повышающего преобразователя

• Используется в саморегулирующихся источниках питания.
• Имеется бытовая электроника.
• Используется в аккумуляторных системах питания.
• Приложения адаптивного управления.
• Применение усилителя мощности.

Преимущества понижающего повышающего преобразователя

• Он дает более высокое выходное напряжение.
• Низкий рабочий цикл воздуховода.