Импулсни преобразуватели. Понижаване, в английската терминология step-down или buck. Конкурс за ученически изследвания

Има две категории превключващи преобразуватели на напрежение:
с трансформатор
С дросел за съхранение
Преобразувателят от всяка от тези две категории може да бъде както понижаващ, така и повишаващ, в устройства с дросел за съхранение зависи от превключващата верига, в устройства с трансформатор от коефициента на трансформация.
Импулсни преобразуватели на напрежение с акумулиращ дросел
Изходът на такива вериги винаги ще бъде постоянно или пулсиращо напрежение.
Не можете да получите AC напрежение на изхода им.


Сигналът, който трябва да бъде изпратен до точка А1 по отношение на общия проводник:


Как работят импулсните преобразуватели с дросел за съхранение?
Помислете за примера на усилващ преобразувател.
Акумулиращият индуктор L1 е свързан така, че когато транзисторът T1 се отвори, токът от източника + PIT започва да тече през тях, докато токът не се увеличава моментално в индуктора, тъй като енергията се съхранява в магнитното поле на индуктора.
След като транзисторът T1 се затвори, енергията, съхранена в индуктора, трябва да бъде освободена, това следва от физиката на явленията, възникващи в индуктора, съответно единственият път за тази енергия минава през източника + PIT, диода VD1 и товара свързан към ИЗХОДА.
В този случай максималното изходно напрежение зависи само от едно нещо - съпротивлението на натоварване.
Ако имаме идеален дросел и ако няма товар, тогава изходното напрежение ще бъде безкрайно голямо, но имаме работа с дросел, далеч от идеалния, следователно без товар напрежението просто ще бъде много голямо, вероятно така голяма, че пробив на въздух или диелектрик между ИЗХОДНА клема и общ проводник, а по-скоро повреда на транзистора.

Ако индукторът иска да освободи цялата енергия, която е натрупал (минус загубите), тогава как да регулирате напрежението на изхода на такива преобразуватели?
Много е просто - да се съхранява точно толкова енергия в индуктора, колкото е необходимо, за да се създаде желаното напрежение при известно съпротивление на натоварване.
Съхранената енергия се регулира от продължителността на импулсите, отварящи транзистора (времето, през което транзисторът е отворен).

В понижаващ преобразувател точно същите процеси се случват в дросела, но в този случай, когато транзисторът е отворен, дроселът не позволява изходното напрежение да се увеличи незабавно и след като се затвори, освобождава съхранената енергия от една страна през диода VD1, а от друга чрез товара, свързан към ИЗХОДА, поддържа напрежението на ИЗХОДНАТА клема.
Напрежението на изхода на такъв преобразувател не може да бъде по-голямо от напрежението + PIT.

Импулсни преобразуватели на напрежение с трансформатори
Самото преобразуване става в трансформатора, като няма значение хардуера е за ниски честоти; или на ферит - за високи от 1 kHz до 500 kHz и повече.
Същността на процесите винаги е една и съща: ако има 10 навивки в първата намотка на трансформатора и 20 във втората и прилагаме променливо напрежение от 10 волта към първата, тогава във втората ще получим променливо напрежение със същата честота, но 20 волта и съответно с 2 пъти по-малък ток, отколкото протича в първата намотка.

Тоест задачата се свежда до получаване на променливо напрежение, което трябва да се приложи към първичната намотка от източник постоянен токзахранващ преобразувател.

Работи така:
когато транзисторът T1 е отворен, токът протича през горната половина на намотката - L1.1, след това транзисторът T1 се затваря и транзисторът T2 се отваря, токът започва да тече през долната половина на намотката - L1.2, тъй като горната половина на намотката L1 е включена с края си към + PIT a долното начало, тогава магнитното поле в сърцевината на трансформатора тече в една посока, когато T1 е отворен, а когато T2 е отворен в другата, съответно се създава променливо напрежение на вторичната намотка L2.
L1.1 и L1.1 са направени възможно най-идентични един с друг.
Предимства:
Висока ефективност при работа от ниско напрежениезахранване (през всяка половина на намотката и транзистора протича само половината от необходимия ток).
недостатъци:
Напрежения на изтичане на транзистори, равни на два пъти захранващото напрежение (например, когато T1 е отворен и T2 е затворен, токът протича в L1.1, на свой ред, в L1.2, магнитното поле създава напрежение, равно на напрежението при L1.1, което, сумирайки се с напрежението на източника на захранване, влияе на затворения T2).
Това означава, че е необходимо да изберете транзистори за по-голямо допустимо максимално напрежение.
Приложение:
Преобразуватели, захранвани от ниско напрежение (около 12 волта).

Работи така:
когато T1 е отворен, токът протича през трансформаторния първичен (L1) зареждащ кондензатор C2, след това той се затваря и T2 се отваря, така че сега токът тече през L1 в обратна посока, разреждайки C2 и зареждайки C1.
недостатъци:
Напрежението, подадено към първичната намотка на трансформатора, е два пъти по-ниско от напрежението + PIT.
Ползи:
Приложение:
Преобразуватели, захранвани от битова осветителна мрежа, мрежови захранвания (например: компютърни захранвания).

Работи така:
когато транзисторите Т1 и Т4 са включени, токът протича през първичната на трансформатора в една посока, след това те затварят и отварят Т2 и Т3 токът протича през първичната в обратна посока.
недостатъци:
Необходимостта от инсталиране на четири мощни транзистора.
Двоен спад на напрежението на транзисторите (спадовете на напрежението на съседните транзистори T1 T4/T2 T3 се сумират).
Ползи:
Пълно захранващо напрежение на първичната намотка.
Липса на двойни пренапрежения на напрежението, характерни за push-pool.
Приложение:
Мощни преобразуватели, захранвани от битова осветителна мрежа, мрежови захранвания (например: импулсни заваръчни "трансформатори").

Общи проблеми за преобразувателите на трансформатори са същите проблеми като преобразувателите, базирани на дросели за съхранение: насищане на сърцевината; съпротивлението на жицата, от която са направени намотките; работа на транзистори в линеен режим.

Импулсни преобразуватели на обратен и преден ход

Назад и напред импулсен преобразувателнапреженията са "хибриди" на преобразувател, базиран на дросел за съхранение и трансформатор, въпреки че по същество това е преобразувател, базиран на дросел за съхранение и това никога не трябва да се забравя.
Принципът на работа на такъв преобразувател е подобен на усилващ преобразувател на дросел за съхранение, с единствената разлика, че товарът е свързан не директно към дросела, а към друга намотка, навита на самия дросел.
Както при усилващия преобразувател, ако е включен без товар, изходното му напрежение ще се стреми към максимум.
недостатъци:
Пренапрежения на ключовия транзистор, което създава необходимостта от използване на ключови транзистори за напрежение, много по-високо от + PIT.
Високо изходно напрежение без товар.
Предимства:
Галванична изолация на захранващата верига и веригата на товара.
Няма загуби, свързани с повторно намагнитване на сърцевината (магнитното поле винаги протича в същата посока в сърцевината).

Феномени, които трябва да имате предвид при проектирането на преобразуватели на напрежение (и комутационни устройства като цяло)
Насищане на сърцевината (магнитна верига)- моментът, когато магнитопроводимият материал на сърцевината на индуктора или трансформатора е вече толкова магнетизиран, че вече не влияе на процесите, протичащи в индуктора или трансформатора. Когато сърцевината е наситена, индуктивността на намотките, разположени върху нея, пада бързо и токът през първичните намотки започва да се увеличава, докато максималният ток е ограничен само от съпротивлението на намотката и се избира толкова малък, колкото възможно, съответно насищането най-малко води до нагряване както на намотките на индуктора, така и на силовия транзистор, като максимум до разрушаване на силовия транзистор.

Съпротивление на намотъчния проводник- въвежда загуби в процеса, тъй като предотвратява съхраняването и освобождаването на енергия в магнитно поле, причинява нагряване на проводника на намотката на индуктора.
Решение: използвайте тел с минимално съпротивление (по-дебела тел, тел от материали с ниско съпротивление).

Работата на мощни транзистори в линеен режим- в случай, че генераторът на сигнали, използван за управление на транзисторите, произвежда не правоъгълни импулсии импулси с бавно покачване и спадане на напрежението, което може да се случи, ако капацитетът на гейта на мощните транзистори е голям и драйверът (специален усилвател) не е в състояние да достави значителен ток за зареждане на този капацитет, има моменти, когато транзисторът е в линеен режим, тоест има определено съпротивление, различно от нула и безкрайно голямо, във връзка с което през него протича ток и върху него се отделя топлина, влошаваща ефективността на преобразувателя.

Специфични проблеми на преобразуватели на напрежение с помощта на трансформатори
Тези проблеми обаче са присъщи на всяко устройство с мощно двутактно изходно стъпало.

Чрез ток
Помислете за примера на полумостова верига - ако по някаква причина транзисторът T2 се отвори по-рано, отколкото T1 е напълно затворен, тогава ще има преминаващ ток от + PIT до общ проводник, който ще тече през двата транзистора, което ще доведе до безполезно генериране на топлина върху тях.
Решение: създаване на забавяне между спадането на потенциала на входа G1 до нула (вижте диаграмата на половин мост) и увеличаването на потенциала на входа G2.
Това време на забавяне се нарича мъртво време и графично може да се илюстрира с осцилограма:


Ефект на Милър
Отново помислете за примера на половин мост - когато транзисторът T1 се отвори, тогава към транзистора T2 се прилага напрежение, което бързо се увеличава (със скоростта на отваряне на T1), тъй като това напрежение е голямо, дори малък вътрешен капацитет между портата и източника, когато се зарежда, създава значителен потенциал на портата, който отваря T2, макар и за кратко време, но създава ток, дори и с мъртво време.
Решение: приложение мощни драйверитранзистори, способни не само да доставят, но и да приемат големи токове.

Какво не трябва да се забравя
Бак конвертор с дросел за съхранение, полумост и мост - схеми, които не са толкова прости, колкото изглеждат на пръв поглед, главно защото източникът на транзистора в долния преобразувател и източниците на горните транзистори в моста и половин мост са под захранващо напрежение.
Както знаем, управляващо напрежениекъм портата на транзистора трябва да се прилага по отношение на неговия източник, за биполярно към основата по отношение на емитера.
Решения:
Използване на галванично изолирани захранвания за вериги на порти (бази):



Генератор G1 генерира противофазни сигнали и генерира мъртво време, U1 и U2 драйвери полеви транзистори, оптронът разделя галванично входната верига на горния драйвер от изхода на генератора, който се захранва от друга намотка на трансформатора.

Приложение импулсен трансформаторза галванична изолация на вериги на порта (база):

Галваничната изолация се осигурява чрез въвеждането на друг импулсен трансформатор: GDT.

Има и друг метод - "boostrap", но е малко вероятно и той да ви хареса, за подробности вижте документацията за чипа IR2153, по-специално метода за получаване на захранващо напрежение за управление на горния ключов транзистор във веригите.

При проектирането на преобразувател е необходимо да се вземе предвид, че това импулсно устройствопрез чиито проводници протичат значителни токове, които се променят драстично и това е устройство, в което силно магнитни полета- всичко това създава благоприятна почва за появата на цяла поредица от смущения в широк спектър.
При окабеляване печатни платкитрябва да се стремите да направите всички захранващи проводници на веригата възможно най-къси и прави, шунтирайте електролитни кондензатори с филм или керамика капацитет 0,1... 1uF в непосредствена близост до захранващите елементи, за да предотвратите изтичане на високочестотни смущения в осветителната мрежа, ако устройството се захранва от електрическата мрежа, инсталирайте по веригата за доставки мрежово напрежение LC нискочестотни филтри.

Въпреки много трудни моменти, импулсните преобразуватели на напрежение са широко разпространени, а работещите на висока честота (десетки до стотици килохерци) имат редица предимства, както следва:
Висока ефективност, до 97%;
Малко тегло;
Малки размери.

Често се използва за преобразуване на напрежението на едно ниво в напрежението на друго ниво преобразуватели на импулсно напрежениеизползвайки индуктивно съхранение на енергия. Такива преобразуватели се характеризират с висока ефективност, понякога достигаща 95%, и имат способността да получават повишено, намалено или обърнато изходно напрежение.

В съответствие с това са известни три вида схеми на преобразуватели: понижаващи (фиг. 4.1), повишаващи (фиг. 4.2) и инвертиращи (фиг. 4.3).

Пет елемента са общи за всички тези типове преобразуватели: източник на захранване, ключов превключващ елемент, индуктивно устройство за съхранение на енергия (индуктор, дросел), блокиращ диод и филтърен кондензатор, свързан паралелно с товарното съпротивление.

Включването на тези пет елемента в различни комбинации ви позволява да реализирате всеки от трите вида импулсни преобразуватели.

Нивото на изходното напрежение на преобразувателя се контролира чрез промяна на ширината на импулсите, които управляват работата на ключовия превключващ елемент и съответно енергията, съхранявана в индуктивното устройство за съхранение.

Изходното напрежение се стабилизира чрез използване на обратна връзка: когато изходното напрежение се промени, ширината на импулса се променя автоматично.

Понижаващият преобразувател (фиг. 4.1) съдържа последователно свързана верига от превключващ елемент S1, индуктивно хранилище на енергия L1, съпротивление на натоварване Rn и филтърен кондензатор, свързан паралелно C1. Блокиращият диод VD1 е свързан между точката на свързване на ключа S1 ​​с хранилището на енергия L1 и общ проводник.

Ориз. 4.1. Принципът на действие на понижаващия преобразувател на напрежение

Ориз. 4.2. Принципът на действие на повишаващия преобразувател на напрежение

При публичен ключдиодът е затворен, енергията от захранването се съхранява в индуктивното хранилище на енергия. След като ключът S1 е затворен (отворен), енергията, съхранявана от индуктивното съхранение L1, се прехвърля през диода VD1 към съпротивлението на натоварване R n. Кондензаторът C1 изглажда пулсациите на напрежението.

Повишаващият импулсен преобразувател на напрежение (фиг. 4.2) е направен на същите основни елементи, но има различна комбинация от тях: последователна верига на индуктивно устройство за съхранение на енергия L1, диод VD1 и съпротивление на натоварване с филтърен кондензатор свързан паралелно C1 е свързан към източника на захранване. Превключващият елемент S1 е свързан между точката на свързване на устройството за съхранение на енергия L1 с диода VD1 и общата шина.

Когато ключът е отворен, токът от източника на захранване протича през индуктора, в който се съхранява енергия. Диодът VD1 е затворен, веригата на натоварване е изключена от източника на захранване, ключа и съхранението на енергия. Напрежението върху съпротивлението на товара се поддържа благодарение на енергията, съхранявана във филтърния кондензатор. Когато ключът се отвори, ЕМП на самоиндукция се добавя към захранващото напрежение, съхранената енергия се прехвърля към товара през отворения диод VD1. Полученото по този начин изходно напрежение надвишава захранващото.


Ориз. 4.3. Преобразуване на импулсно напрежение с инверсия

Импулсният инвертор съдържа същата комбинация основни елементи, но отново в различна връзка (фиг. 4.3): последователна верига от превключващ елемент S1, диод VD1 и съпротивление на натоварване R n с филтърен кондензатор C1 е свързан към източника на захранване. Индуктивното съхранение на енергия L1 е свързано между точката на свързване на превключващия елемент S1 с диода VD1 и общата шина.

Преобразувателят работи по следния начин: когато ключът е затворен, енергията се съхранява в индуктивно устройство за съхранение. Диодът VD1 е затворен и не преминава ток от източника на захранване към товара. Когато превключвателят е изключен, ЕМП на самоиндукция на устройството за съхранение на енергия се прилага към токоизправителя, съдържащ диода VD1, съпротивлението на натоварване R n и филтърния кондензатор C1. Тъй като изправителният диод пропуска само импулси с отрицателно напрежение в товара, на изхода на устройството се формира напрежение с отрицателен знак (обратно, противоположно по знак на захранващото напрежение).

За стабилизиране на изходното напрежение на импулсни регулатори от всякакъв тип могат да се използват конвенционални "линейни" регулатори, но те имат ниска ефективност. В тази връзка е много по-логично да се използват стабилизатори на импулсно напрежение за стабилизиране на изходното напрежение на импулсни преобразуватели, особено след като такава стабилизация изобщо не е трудна.

Превключващите стабилизатори на напрежение от своя страна са разделени на Широчинно импулсно модулирани стабилизатории на стабилизатори с честотно-импулсна модулация. При първия от тях продължителността на управляващите импулси се променя при постоянна честота на тяхното повторение. На второ място, напротив, честотата на управляващите импулси се променя при непроменена продължителност. Има импулсни стабилизатори със смесено регулиране.

По-долу ще бъдат разгледани радиолюбителски примери за еволюционното развитие на импулсни преобразуватели и стабилизатори на напрежение.

Главният осцилатор (фиг. 4.4) на импулсни преобразуватели с нестабилизирано изходно напрежение (фиг. 4.5, 4.6) на чипа KR1006VI1 (NE 555) работи на честота 65 kHz. Изходните правоъгълни импулси на генератора се подават през RC вериги към транзисторни ключови елементи, свързани паралелно.

Индукторът L1 е направен на феритен пръстенс външен диаметър 10 mm и магнитна проницаемост 2000. Индуктивността му е 0,6 mH. Ефективността на преобразувателя достига 82%. Амплитудата на изходната пулсация не надвишава 42 mV и зависи от стойността на капацитета


Ориз. 4.4. Задвижваща осцилаторна схема за преобразуватели на импулсно напрежение


Ориз. 4.5. Схема на силовата част на повишаващия импулсен преобразувател на напрежение +5/12 V


Ориз. 4.6. Схема на инвертиращ импулсен преобразувател на напрежение +5 / -12 V

кондензатори на изхода на устройството. Максималният ток на натоварване на устройствата (фиг. 4.5, 4.6) е 140 mA.

Използваният токоизправител на преобразувателя (фиг. 4.5, 4.6). паралелна връзкаслаботокови високочестотни диоди, свързани последователно с изравнителни резистори R1 - R3. Целият този комплект може да бъде заменен с един модерен диод, проектиран за ток над 200 mA при честота до 100 kHz и обратно напрежение най-малко 30 V (например KD204, KD226). Като VT1 и VT2 е възможно да се използват транзистори от типа KT81x: n-p-n структури- KT815, KT817 (фиг. 4.5) и p-n-p - KT814, KT816 (фиг. 4.6) и др. За да се подобри надеждността на преобразувателя, се препоръчва да се свърже диод от типа KD204, KD226 паралелно с прехода на емитер-колектор на транзистора, така че да е затворен за постоянен ток.

DC/DC преобразувателите се използват широко за захранване на различно електронно оборудване. Използват се в компютърно оборудване, комуникационни устройства, различни схемиконтрол и автоматизация и др.

Трансформаторни захранвания

В традиционен трансформаторни блоковезахранващото напрежение на захранващата мрежа с помощта на трансформатор се преобразува, най-често се понижава, до желаната стойност. Ниското напрежение се изправя от диоден мост и се изглажда от кондензаторен филтър. При необходимост след токоизправителя се поставя полупроводников стабилизатор.

Трансформаторните захранвания обикновено са оборудвани с линейни стабилизатори. Такива стабилизатори имат поне две предимства: това е ниска цена и малък брой части в колана. Но тези предимства се изяждат от ниска ефективност, тъй като значителна част от входното напрежение се използва за нагряване на управляващия транзистор, което е напълно неприемливо за захранване на преносими електронни устройства.

DC/DC преобразуватели

Ако оборудването се захранва от галванични клетки или батерии, тогава преобразуването на напрежението до желаното ниво е възможно само с помощта на DC / DC преобразуватели.

Идеята е съвсем проста: постоянно наляганесе преобразува в променлива, като правило, с честота от няколко десетки и дори стотици килохерца, увеличава (намалява) и след това се коригира и се подава към товара. Такива преобразуватели често се наричат ​​импулсни преобразуватели.

Пример е усилващ преобразувател от 1,5 V на 5 V, само изходното напрежение на компютърен USB. Подобен преобразувател с ниска мощност се продава в Aliexpress - http://ali.pub/m5isn.

Ориз. 1. Конвертор 1.5V / 5V

Импулсните преобразуватели са добри, защото имат висока ефективност, в рамките на 60..90%. Друго предимство на импулсните преобразуватели е широк диапазон от входни напрежения: входното напрежение може да бъде по-ниско от изходното или много по-високо. Като цяло DC / DC преобразувателите могат да бъдат разделени на няколко групи.

Класификация на конвертора

Понижаване, в английската терминология step-down или buck

Изходното напрежение на тези преобразуватели, като правило, е по-ниско от входното напрежение: без специални загуби за нагряване на управляващия транзистор, можете да получите напрежение от само няколко волта при входно напрежение от 12 ... 50V. Изходният ток на такива преобразуватели зависи от нуждите на товара, което от своя страна определя схемата на преобразувателя.

Друго английско наименование на chopper buck converter. Един от преводите на тази дума е прекъсвач. В техническата литература преобразувателят на долара понякога се нарича "чопър". Засега просто запомнете този термин.

Увеличаване, в английската терминология step-up или boost

Изходното напрежение на тези преобразуватели е по-високо от входното напрежение. Например при входно напрежение 5V може да се получи напрежение до 30V на изхода, като е възможно плавното му регулиране и стабилизиране. Доста често повишаващите преобразуватели се наричат ​​бустери.

Универсални конвертори - SEPIC

Изходното напрежение на тези преобразуватели се поддържа на дадено ниво, когато входното напрежение е по-високо или по-ниско от входното напрежение. Препоръчва се в случаите, когато входното напрежение може да варира значително. Например, в кола напрежението на батерията може да варира между 9 ... 14V и е необходимо стабилно напрежение от 12V.

Инвертиращи конвертори - инвертиращ конвертор

Основната функция на тези преобразуватели е да получат напрежение на изхода обратна полярностотносно източника на захранване. Много удобно в случаите, когато е необходимо двуполюсно захранване, например.

Всички споменати преобразуватели могат да бъдат стабилизирани или нестабилизирани, изходното напрежение може да бъде галванично свързано с входното напрежение или да имат галванична изолация по напрежение. Всичко зависи от конкретното устройство, в което ще се използва преобразувателят.

За да преминете към по-нататъшна история за DC / DC преобразуватели, трябва поне да разберете теорията в общи линии.

Chopper buck converter - преобразувател тип бък

Функционалната му схема е показана на фигурата по-долу. Стрелките на проводниците показват посоката на токовете.


Фиг.2. Функционална схема на стабилизатора на хеликоптера

Входното напрежение Uin се подава към входния филтър - кондензатор Cin. Транзисторът VT се използва като ключов елемент, той извършва превключване на високочестотен ток. Това може да е MOSFET, IGBT или конвенционален биполярен транзистор. В допълнение към тези детайли, веригата съдържа разряден диод VD и изходен филтър - LCout, от който напрежението се подава към товара Rn.

Лесно се вижда, че товарът е свързан последователно с елементите VT и L. Следователно веригата е последователна. Как се случва спадът на напрежението?

Широчинно-импулсна модулация - PWM

Контролната верига генерира правоъгълни импулси с постоянна честота или постоянен период, което по същество е едно и също. Тези импулси са показани на фигура 3.


Фиг.3. Контролни импулси

Тук t е времето на импулса, транзисторът е отворен, tp е времето на пауза, транзисторът е затворен. Съотношението ti/T се нарича коефициент на запълване на цикъла, обозначава се с буквата D и се изразява в %% или просто в числа. Например при D равно на 50% излиза, че D=0,5.

Така D може да варира от 0 до 1. При стойност D=1 ключовият транзистор е в състояние на пълна проводимост, а при D=0 в състояние на прекъсване, просто казано, той е затворен. Лесно се досеща, че при D=50% изходното напрежение ще бъде равно на половината от входното.

Съвсем очевидно е, че регулирането на изходното напрежение става чрез промяна на ширината на управляващия импулс t и всъщност чрез промяна на коефициента D. Този принцип на регулиране се нарича (PWM). Практически във всички импулсни блоковеИменно с помощта на ШИМ се стабилизира изходното напрежение.

Във веригите, показани на фигури 2 и 6, ШИМ е "скрит" в правоъгълниците, означени с "контролна верига", което изпълнява някои допълнителни функции. Например, може да бъде плавен стартизходно напрежение, дистанционно активиране или защита от късо съединение на преобразувателя.

Като цяло преобразувателите са толкова широко използвани, че производителите на електронни компоненти стартираха производството на PWM контролери за всички случаи. Диапазонът е толкова голям, че ще отнеме цяла книга само за да ги изброим. Следователно на никого не му хрумва да сглобява преобразуватели на отделни елементи или както често се казва в „свободни“ термини.

Освен това, готови малки преобразуватели на мощност могат да бъдат закупени на Aliexpress или Ebay на малка цена. В същото време, за инсталиране в аматьорски дизайн, достатъчно е да запоите проводниците към входа и изхода към платката и да зададете необходимото изходно напрежение.

Но да се върнем към нашата фигура 3. В този случай коефициентът D определя колко дълго ще бъде отворен (фаза 1) или затворен (фаза 2). За тези две фази веригата може да бъде представена с две фигури. Фигурите НЕ ПОКАЗВАТ онези елементи, които не се използват в тази фаза.


Фиг.4. Фаза 1

Когато транзисторът е отворен, токът от източника на захранване (галванична клетка, батерия, токоизправител) преминава през индуктивен дросел L, натоварването Rn и зареждащия кондензатор Cout. В този случай токът протича през товара, кондензаторът Cout и индукторът L натрупват енергия. Токът iL ПОСТЕПЕННО СЕ УВЕЛИЧАВА поради влиянието на индуктивността на индуктора. Тази фаза се нарича изпомпване.

След като напрежението на товара достигне предварително определена стойност (определена от настройката на управляващото устройство), транзисторът VT се затваря и устройството преминава към втората фаза - фазата на разреждане. Затвореният транзистор изобщо не е показан на фигурата, сякаш не съществува. Но това означава само, че транзисторът е затворен.


Фиг.5. Фаза 2

Когато транзисторът VT е затворен, няма попълване на енергия в индуктора, тъй като захранването е изключено. Индуктивността L се стреми да предотврати промяна в големината и посоката на тока (самоиндукция), протичащ през намотката на индуктора.

Следователно токът не може да спре моментално и се затваря през веригата "диодно натоварване". Поради това VD диодът се нарича разряден диод. Като правило това е високоскоростен диод на Шотки. След контролния период, фаза 2, веригата преминава към фаза 1, процесът се повтаря отново. Максимално напрежениена изхода на разглежданата верига може да бъде равен на входа и не повече. Усилвателните преобразуватели се използват за получаване на изходно напрежение, по-голямо от входното напрежение.

Засега е необходимо само да си припомним действителната стойност на индуктивността, която определя двата режима на работа на чопъра. При недостатъчна индуктивност преобразувателят ще работи в режим на прекъснати токове, което е напълно неприемливо за захранващи устройства.

Ако индуктивността е достатъчно голяма, тогава работата се извършва в режим на непрекъснати токове, което позволява използването на изходни филтри за получаване на постоянно напрежение с приемливо ниво на пулсации. Усилвателните преобразуватели също работят в режим на непрекъснат ток, който ще бъде разгледан по-долу.

За известно повишаване на ефективността разрядният диод VD се заменя с MOSFET транзистор, който се отваря в точното време от управляващата верига. Такива преобразуватели се наричат ​​синхронни. Използването им е оправдано, ако мощността на преобразувателя е достатъчно голяма.

Повишаващи или повишаващи преобразуватели

Повишаващите преобразуватели се използват главно за захранване с ниско напрежение, например от две или три батерии, а някои конструктивни компоненти изискват напрежение от 12 ... 15 V с ниска консумация на ток. Доста често усилвателният преобразувател се нарича кратко и ясно думата "бустер".


Фиг.6. Функционална схема на усилвателен преобразувател

Входното напрежение Uin се подава към входния филтър Cin и към последователно свързаните L и превключващия транзистор VT. VD диод е свързан към точката на свързване на бобината и изтичането на транзистора. Товарът Rl и шунтиращият кондензатор Cout са свързани към другия извод на диода.

Транзисторът VT се управлява от управляваща верига, която генерира стабилен сигнал за управление на честотата с регулируем работен цикъл D, точно както е описано малко по-горе при описание на веригата на хеликоптера (фиг. 3). Диодът VD в точното време блокира товара от ключовия транзистор.

Когато ключовият транзистор е отворен, изходът на бобината L, вдясно според схемата, е свързан към отрицателния полюс на източника на захранване Uin. Увеличаването на тока (засяга влиянието на индуктивността) от източника на захранване протича през намотката и отворения транзистор, енергията се натрупва в намотката.

По това време диодът VD блокира товара и изходния кондензатор от превключващата верига, като по този начин предотвратява разреждането на изходния кондензатор през отворения транзистор. Товарът в този момент се захранва от енергията, съхранявана в кондензатора Cout. Естествено, напрежението на изходния кондензатор пада.

Веднага щом изходното напрежение стане малко по-ниско от определеното (определено от настройките на управляващата верига), ключовият транзистор VT се затваря и енергията, съхранена в индуктора, презарежда кондензатора Cout през диода VD, който захранва товара . В този случай ЕМП на самоиндукция на бобината L се добавя към входното напрежение и се прехвърля към товара, следователно изходното напрежение е по-голямо от входното напрежение.

Когато изходното напрежение достигне зададеното ниво на стабилизиране, управляващата верига отваря транзистора VT и процесът се повтаря от фазата на съхранение на енергия.

Универсални преобразуватели - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразувател с асиметрично натоварен първичен индуктор).

Такива преобразуватели се използват главно, когато товарът има малка мощност и входното напрежение се променя спрямо изходното напрежение нагоре или надолу.


Фиг.7. Функционална схема на преобразувателя SEPIC

Тя е много подобна на веригата на усилващия преобразувател, показана на фигура 6, но има допълнителни елементи: кондензатор C1 и намотка L2. Именно тези елементи осигуряват работата на преобразувателя в режим на намаляване на напрежението.

Преобразувателите SEPIC се използват в случаите, когато входното напрежение варира в широк диапазон. Пример е 4V-35V до 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Под това име в китайските магазини се продава преобразувател, чиято схема е показана на фигура 8 (щракнете върху снимката, за да я увеличите).


Фиг.8. електрическа схема SEPIC конвертор

Фигура 9 показва външния вид на дъската с обозначението на основните елементи.


Фиг.9. Външен вид на конвертора SEPIC

Фигурата показва основните части съгласно фигура 7. Обърнете внимание на наличието на две бобини L1 L2. По този знак можете да определите, че това е SEPIC конвертор.

Входното напрежение на платката може да бъде в рамките на 4 ... 35V. В този случай изходното напрежение може да се регулира в рамките на 1,23 ... 32V. Работната честота на преобразувателя е 500 kHz.С малки размери от 50 х 25 х 12 мм, платката осигурява мощност до 25 вата. Максимален изходен ток до 3А.

Но тук трябва да се направи една забележка. Ако изходното напрежение е зададено на 10 V, тогава изходният ток не може да бъде по-висок от 2,5 A (25 W). С изходно напрежение 5V и максимален ток 3A мощност ще бъде само 15W. Основното тук е да не прекалявате: или не надвишавайте максимално допустимата мощност, или не надхвърляйте допустимия ток.

Днес ще разгледаме няколко схеми на прости, дори може да се каже - прости, импулсни DC-DC преобразуватели на напрежение (преобразуватели на постоянно напрежение с една стойност към постоянно напрежение с друга стойност)

Какви са добрите импулсни преобразуватели. Първо, те имат висока ефективност и второ, те могат да работят при входно напрежение, по-ниско от изходното. Импулсните преобразуватели са разделени на групи:

  • - спускане, повдигане, обръщане;
  • - стабилизирани, нестабилизирани;
  • - галванично изолирани, неизолирани;
  • - с тесен и широк диапазон на входните напрежения.

За производството на домашни импулсни преобразуватели е най-добре да използвате специализирани интегрални схеми - те са по-лесни за сглобяване и не са капризни при настройката. И така, ето 14 схеми за всеки вкус:

Този преобразувател работи на честота 50 kHz, галваничната изолация се осигурява от трансформатор T1, който е навит върху пръстен K10x6x4.5, изработен от 2000NM ферит и съдържа: първична намотка - 2x10 оборота, вторична намотка - 2x70 оборота на PEV-0.2 тел. Транзисторите могат да бъдат заменени с KT501B. Токът от батерията, при липса на товар, практически не се консумира.


Трансформатор T1 е навит на феритен пръстен с диаметър 7 mm и съдържа две намотки от 25 навивки на проводник PEV = 0,3.



Push-pull нестабилизиран преобразувател на базата на мултивибратор (VT1 и VT2) и усилвател на мощност (VT3 и VT4). Изходното напрежение се избира от броя на завъртанията на вторичната намотка на импулсния трансформатор Т1.

Преобразувател от стабилизиращ тип, базиран на чип MAX631 от MAXIM. Честотата на генериране е 40 ... 50 kHz, елементът за съхранение е дроселът L1.



Можете да използвате един от двата чипа отделно, например втория, за да умножите напрежението от две батерии.

Типична схема за включване на превключващ усилващ стабилизатор на чип MAX1674 от MAXIM. Работата се поддържа на входа напрежение 1.1волт. Ефективност - 94%, ток на натоварване - до 200 mA.

Позволява ви да получавате две различни стабилизирани напрежения с ефективност от 50 ... 60% и ток на натоварване до 150 mA във всеки канал. Кондензаторите C2 и C3 са устройства за съхранение на енергия.

8. Превключване на повишаващ стабилизатор на чипа MAX1724EZK33 от MAXIM

Типична схема за включване на специализирана микросхема от MAXIM. Остава работещ при входно напрежение от 0,91 волта, има малък SMD корпус и осигурява ток на натоварване до 150 mA с ефективност 90%.

Препоръчваме за четене