Микросхемы импульсных преобразователей. Советы по проектированию понижающих преобразователей

Импульсный способ регулирования в цепях постоянного тока

В отличие от цепей переменного тока применение постоянного тока связано с проблемой плавного регулирования напряжения нагрузки. Потребность в регулировании напряжения при питании от сети постоянного тока приводит к применению неэкономичных способов, основанных на включении в силовые цепи токоограничивающих резисторов или делителей напряжения.

При электрической тяге и питании коллекторных двигателей от контактной сети постоянного тока на электроподвижном составе применяются пусковые резисторы. При пуске и разгоне по мере увеличения частоты вращения и, соответственно, противо-ЭДС двигателей пусковые резисторы, включаемые последовательно в цепь якоря, благодаря ступенчатой перегруппировке обеспечивают ограничение среднего значения тока.

Резисторное регулирование приводит при частых пусках к дополнительным потерям электроэнергии (до 20-30 % общего потребления энергии на тягу). Регулирование пусковых резисторов сопровождается «всплесками» тока во время переключения ступеней. Для переключения резисторов требуется сложный контактный коммутатор.

Тиристорная техника позволяет применить новый, более экономичный, надежный и эффективный импульсный способ регулирования в цепях постоянного тока. Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой постоянной или изменяемой частотой (рис. 13.1). Автоматическое задание длительности интервала подключения за один цикл позволяет плавно регулировать среднее значение напряжения, прикладываемого к нагрузке. В цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульсацией. Это достигается благодаря индуктивности самой нагрузки или включению сглаживающего дросселя и достаточно высокой частоты коммутаций (200-400 Гц).

Рис. 13.1. Схема импульсного регулирования и временные диаграммы ее работы: СК - схема коммутации; СУ - схема управления

Среднее значение напряжения нагрузки

где U n - напряжение источника питания;

t yv Т - соответственно длительность и период повторяемости импульсов; к, у - коэффициент заполнения.

Из соотношения (13.1) следует, что напряжение U H можно плавно регулировать, если изменять / и при Т= const или Т при / и = const, а также в результате одновременного изменения / и и Т. Этому соответствуют широтный, частотный и комбинированный, а также широтно-частотный способы импульсного регулирования.

Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по проектированию (10+)

Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет

Для понижения постоянного напряжения с минимальными потерями и получения стабилизированного выхода применяется следующий подход. Постоянное напряжение преобразуется в импульсы переменной скважности. Далее эти импульсы пропускаются через катушку индуктивности. Энергия накапливается на накопительном конденсаторе. Обратная связь следит за стабильностью выходного напряжения и для этого регулирует скважность импульсов.

Если нет потребности в снижении потерь, то применяется последовательный стабилизатор непрерывного действия .

Принцип работы понижающего преобразователя напряжения основан на свойстве катушки индуктивности (дросселя) накапливать энергию. Накопление энергии проявляется в том, что сила тока через катушку индуктивности как бы имеет инерцию. То есть она не может измениться моментально. Если к катушке приложить напряжение, то сила тока будет постепенно нарастать, если приложить обратное напряжение, то сила тока будет постепенно убывать.

Вашему вниманию подборки материалов: На схеме мы видим, что блок управления D1 в зависимости от напряжения на конденсаторе C2 замыкает и размыкает силовой ключ. Причем чем выше напряжение на C2 , тем меньше время, на которое замыкается ключ, то есть меньше коэффициент заполнения (больше скважность). Если напряжение на конденсаторе C2 превышает некоторое, то ключ вообще перестает замыкаться, пока напряжение не снизится. Как обеспечивается такая работа схемы управления, описано в статье о широтно-импульсной модуляции . Когда силовой ключ замкнут, ток идет по пути S1 . При этом к катушке индуктивности приложено напряжение, равное разнице между входным и выходным напряжением. Ток через катушку увеличивается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, на которое замыкается ключ. Катушка накапливает энергию. Протекающий ток заряжает конденсатор C2 . Когда силовой ключ разомкнут, ток идет по пути S2 через диод. К катушке индуктивности приложено выходное напряжение с обратным знаком. Ток через катушку уменьшается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, в течение которого ключ разомкнут. Протекающий ток по-прежнему заряжает конденсатор C2 . Когда конденсатор C2 зарядится, ключ перестает замыкаться, зарядка конденсатора прекращается. Ключ снова начнет замыкаться, когда конденсатор C2 немного разрядится через нагрузку. Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток. Преимущества, недостатки, применимость Потери энергии непосредственно зависят от отношения входного и выходного напряжений. Так понижающий преобразователь теоретически может сформировать большой выходной ток при малом напряжении из небольшого входного тока, но большого напряжения, но нам придется прерывать большой ток при большом напряжении, что гарантирует высокие коммутационные потери. Так что понижающие преобразователи применяются, если входное напряжение в 1.5 - 4 раза больше выходного, но их стараются не применять при большей разнице. Разберем процесс проектирования и расчета понижающего преобразователя и опробуем его на примерах. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Для примера возьмем следующие схемы: Схема 1 Схема 2 Одной из проблем понижающих преобразователей является сложность управления силовым ключом, так как его эмиттер (исток) как правило не подключен к общему проводу. Дальше мы рассмотрим несколько вариантов решения этой проблемы. Пока остановимся на несколько нестандартном включении микросхемы - ШИМ контроллера. Мы используем микросхему 1156EU3 . У этой микросхемы выходной каскад выполнен по классической двухтактной схеме. Средняя точка этого каскада выведена на ножку 14, эмиттер нижнего плеча соединен с общим проводом (ножка 10), коллектор верхнего плеча выведен на ножку 13. Мы соединим ножку 14 с общим проводом через резистор, а ножку 13 подключим к базе ключевого транзистора. Когда верхнее плечо выходного каскада открыто (это соответствует подаче отпирающего напряжения на выход), ток протекает через эмиттерный переход транзистора VT2, ножку 13, верхнее плечо выходного каскада, ножку 14, резистор R6. Этот ток отпирает транзистор VT2. В таком включении можно применять и контроллеры с открытым эмиттером на выходе. В этих контроллерах нет нижнего плеча. Но оно нам и не нужно. В нашей схеме в качестве силового ключа используется мощный биполярный транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора в качестве силового ключа . В качестве силового ключа можно использовать составной транзистор , чтобы понизить нагрузку на контроллер. Однако, напряжение насыщения коллектор - эмиттер составного транзистора в разы больше, чем у одинарного. В статье про составной транзистор описано, как рассчитать это напряжение. Если Вы используете составной транзистор, то в форме расчета в конце статьи укажите в качестве напряжения насыщения коллектор - эмиттер VT2 именно это напряжение. Чем выше напряжение насыщения, тем выше потери, так что с составным транзистором потери будут в разы больше. Но решение есть. Оно будет описано далее в разделе о маломощных контроллерах. К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Как работает мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание прин... Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, ... Полумостовой преобразователь напряжения сети. Схема, онлайн расчет. Форма для вы... Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.... Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.... Повышающий импульсный преобразователь напряжения. Силовой ключ - бипол... Как сконструировать повышающий импульсный источник питания. Как выбрать мощный т... Силовой мощный импульсный трансформатор. Расчет. Рассчитать. Онлайн. O... Онлайн расчет силового импульсного трансформатора.... Проверка дросселя, катушки индуктивности, трансформатора, обмотки, эле... Как проверить дроссель, обмотки трансформатора, катушки индуктивности, электрома... Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Прим...

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ОКРУГ

Конкурс исследовательских работ учащихся

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ МОРДОВИИ»

Импульсный преобразователь напряжения

ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский электромеханический колледж »

Саранск 2013

Аннотация. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение импульсного повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Введение……………………………………………………………………………..…………...4

1. Теоретическая часть…………………………………………………..………………………5

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии………………….………5

1.2 Импульсные преобразователи напряжения …………...………………….…….……..6

2.Экспериментальная часть………………………………………..……………………...…….9

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В.……………………………………………..…...….9

2.2 Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя………........10

2.3. Расчет себестоимости преобразователя..……………………………...…………..….11

Заключение………………………………………………………………………..……….……12

Список использованных источников и литературы…………………………..…...…………12

Введение

В настоящее время на рынке электронной аппаратуры предложен большой выбор преобразователей. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Преобразователи напряжения различаются своими функциональными возможностями, формой выходного напряжения, мощностью на выходе и соответственно ценой.

В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Основными критериями при разработке преобразователя являлись малые габариты при высокой удельной мощности, простота технического решения, надежность и низкая цена.

Целью исследования является разработка и изготовление малогабаритного источника постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В. Задачами исследования являются:

Изучить и проанализировать существующие типы преобразователей электрической энергии.

Разработать оптимальную электрическую схему и конструкцию преобразователя напряжения на 12-220В.

Изготовить преобразователь по разработанной схеме.

Провести испытание преобразователя, измерить входные и выходные характеристики и сделать выводы о его работоспособности.

Методы исследования: изучение литературы и интернет - ресурсов, наблюдение, обобщение, анализ, классификация, моделирование, прогнозирование, эксперимент, расчет, сравнение, описание.

Практическая значимость работы . Разработанный преобразователь напряжения является простым и недорогим источником автономного питания для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения.

Актуальность тематики . Устройство актуально для владельцев неэлектрофицированных садовых домиков, гаражей, где единственным источником электроэнергии может быть аккумуляторная батарея автомобиля.

1. Теоретическая часть

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии.

Преобразователь электрической энергии - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД - важный параметр электротехнических устройств.

Основными видами преобразования электрической энергии являются:

· выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока в постоянный (рис.1). Этот вид преобразования наиболее распространенный, так как некоторые потребители электрической энергии могут работать только на постоянном токе (сварочные устройства, электролизные установки и т. д.) или имеют на постоянном токе более высокие технико-экономические показатели, чем на переменном (электропривод системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения);

Рис. 2. Принцип действия инвертора.

· преобразование частоты - обычно переменный ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты (питание регулируемых электроприводов переменного тока, установки индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковые устройства и т. д.) (рис. 3);

· преобразование числа фаз. Иногда необходимо преобразование трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или наоборот, однофазного в трехфазный (электрифицированный транспорт). В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной частью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;

· преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока) (рис. 4). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребителям требуется постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической аппаратуры).

Рис. 4. Принцип действия преобразователя постоянного напряжения.

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов.

Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры , запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

1.2 Импульсные преобразователи напряжения

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, повышающие и инверти­рующие. Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивно­сти, дроссель), блокировочный диод и 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 преобразователь (рис. 5) содержит после­довательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки Rн и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соедине­ния ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Рис. 5. 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 Rн. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 6) 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 с параллельно подключенным конден­сатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 6. 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 содер­жит то же сочетание основных элементов, но в другом их соединении (рис. 7): к источнику питания подключена последо­вательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки Rн с конденсатором фильтра С1. Ин­дуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соедине­ния коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 7. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь следующим образом: 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.

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Обратноходовой преобразователь - разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей. Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель, который часто называют трансформатором. Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

Двухтактный преобразователь - преобразователь напряжения, использующий трансформатор для изменения напряжения источника питания. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота. Двухтактный преобразователь похож на обратноходовой преобразователь, однако основан на другом принципе работы (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).

2.Экспериментальная часть

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC - DC преобразователя напряжения 12/220В

Принцип действия предлагаемого преобразователя заключается в следующем: постоянный ток от аккумуляторной батареи напряжением 12В преобразуется инвертором в переменный ток того же напряжения, которое повышается трансформатором до 220В и далее выпрямляется выпрямителем. Общий вид структуры реализованного преобразователя показан на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 9. Преобразователь построен по двухтактной схеме. Основой преобразователя является широко известная микросхема ШИМ контроллера TL494. Данная микросхема имеет встроенный задающий генератор, частота которого устанавливается внешней R3C1 цепочкой. Рабочая частота задается следующим образом: уменьшаем сопротивление R3 – увеличиваем частоту. Увеличиваем емкость C1 – уменьшаем частоту и наоборот. В данной схеме частота получается порядка 100КГц. Такая высокая частота преобразования обусловлена необходимостью минимизации габаритов преобразовательного трансформатора.

В схеме используются мощные полевые транзисторы IRFZ46N, которые характеризуются меньшим временем срабатывания и более простыми схемами управления. Вместо них можно использовать IRFZ44N или IRFZ48N.

Повышающий трансформатор в данном преобразователе используется из блока питания компьютера с измененным количеством витков. Соотношение витков в трансформаторе 1:1:20 , где 1:1 – две половинки первичной обмотки (10+10 витков), а 20 – соответственно, вторичная обмотка (200 витков). Для первичной обмотки используется провод диаметром 0,5мм, для вторичной обмотки – 0,3мм.

Выходное напряжение преобразователя снимается с вторичной обмотки трансформатора и выпрямляется по мостовой схеме, выполненной из быстродействующих диодов КД213.

Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Защиту схемы от перегрузки и от неправильного подключения питания (полярности «+» и «-») можно реализовать через предохранитель и диод на входе.

2.2. Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя

Внешний вид готового преобразователя напряжения представлен на рис. 10, где 1 – корпус преобразователя, 2 – входные контакты, 3 – выходные контакты, 4 – вентилятор .

https://pandia.ru/text/78/373/images/image015_24.jpg" width="276" height="265 src=">Ацетон" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark">ацетоном .

Для предупреждения перегрева транзисторов при длительных режимах работы установлены радиатор и вентилятор.

Готовый преобразователь был испытан для питания энергосберегающих ламп дневного света цокольного типа и ламп накаливания мощностью до 40 Вт (рис. 12).

Рис. 12. Испытание преобразователя.

В результате испытаний получены следующие данные:

Входное напряжение – 12В, выходное напряжение – 220+/-5В, максимальная выходная мощность – 40Вт.

Преобразователь испытывался как в кратковременных, так и в длительных режимах работы (4часа) с энергосберегающими и лампами накаливания разной мощности до 40Вт. Во всех случаях было отмечено нормальное яркое свечение без мерцания.

Сравнительный эксперимент на двух лампах одного номинала, подключенных к преобразователю и к розетке с напряжением 220В – 50Гц, показал визуально одинаковый результат.

2.3. Расчет себестоимости преобразователя

Себестоимость преобразователя по стоимости материалов составляет 356 рублей. Расчет приведен в таблице №1. Для расчета взяты средние розничные цены в специализированных магазинах электроники.

Таблица №1. Расчет себестоимости преобразователя.

Материалы и запасные части	Количество, шт.	Цена за единицу, руб.	Стоимость, руб.
1. Микросхема TL494
2. Транзисторы IRFZ46N
3. Резистор 2,6 кОм
4. Резистор 1 кОм
5. Резистор 10 кОм
6. Конденсатор 500мкФ
7. Конденсатор 200мкФ
8. Конденсатор 1нФ
9. Трансформатор

Заключение

Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Список использованных источников и литературы

1. ГОСТ Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий.

2. , Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: СОЛО-Р, 2001. – 327с.

3. http://www. electromonter. info/theory/convert. html

Для преобразования электроэнергии, а точнее сказать, напряжения, можно использовать различные устройства, такие как трансформаторы, генераторы, зарядные устройства. Все они являются преобразователями электрической энергии. Так как для питания многих современных устройств нужно не только переменное, но и постоянное напряжение, то для этих целей не всегда есть возможность применять такой источник энергии, как аккумуляторная батарея. Именно она выдаёт идеальное постоянное напряжение путём химической реакции. Раньше для преобразования и понижения напряжения применялись только низкочастотные трансформаторы, работающие в паре с выпрямителем и сглаживающим фильтром. Однако они обладали очень большими габаритами. С ростом и развитием инновационных технологий в быту и на производстве стали появляться электронные устройства, требующие миниатюрных преобразовательных устройств. Так и появились импульсные преобразователи постоянного напряжения. Миниатюрность их требуется больше для переносных мобильных устройств, нежели для стационарных.

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

1. Повышающие, понижающие, инвертирующие;
2. Со стабилизацией и без неё;
3. С гальванической развязкой и без неё;
4. Регулируемые и нерегулируемые;
5. Обладающие различным диапазоном входного и выходного напряжения.

Однако импульсные преобразователи собраны на более сложных схемах, нежели их предшественники классические понижающие выпрямители.

Принцип действия

Классические преобразователи с регулировкой выходного напряжения, как правило, управляют сопротивлением элемента, выполняющего регулировочную роль (транзистор или тиристор), через него постоянно протекает электрический ток, который и заставляет данный элемент нагреваться, при этом теряется значительная часть мощности. Главное преимущество такого устройства это минимум запчастей, простота, и отсутствие помех. Все остальные характеристики больше относятся к недостаткам.

Импульсный преобразователь напряжения использует регулировочный элемент лишь в виде ключа. То есть он работает в двух режимах:

• Закрыт, и не пропускает электрический ток;
• Открыт, и имеет минимальное проходное сопротивление.

При этом каждый из режимов обладает низким выделением тепла, что даёт возможность показывать высокий коэффициент полезного действия (КПД). Нагрузка же получает непрерывно электроэнергию за счёт накопления и хранения её в таких электрических резервуарах, как:

1. Индуктивность (катушках);
2. Конденсаторах.

Регулировка происходит за счёт изменения времени замкнутого состояния ключевого элемента. Снижение габаритов, а также массы устройств, возможно только за счёт повышения частоты, от 20 кГц до 1 МГц. Импульсные устройства могут формировать на выходе как пониженное напряжение, так и с изменением полярности. За счёт применения в них трансформаторов, работающих на высоких частотах позволяет:

1. Качественно изолировать вход от выхода;
2. Получить на выходе устройства несколько выходных напряжений.

Как и любое устройство импульсный преобразователь обладает и недостатками, которыми являются:

1. Сложность схемы и наличие большего количества запчастей, а значит потенциально существует больше причин поломки;
2. Являются источниками помех.

Однако постоянное развитие технологий в этом направлении снижают эти недостатки к минимальным значениям.

Классификация и виды импульсных преобразователей

Выпускаемые преобразователи можно разделить на три основные группы по роду тока:

1. Конверторы. Выполняют преобразование переменного напряжения (АС) в постоянное (DC). Они применяются в основном в промышленности и в быту для изолированного питания устройств потребителей, где используется переменное напряжение 380/220 Вольт с частотой 50 Гц;
2. Инверторы. Они постоянное напряжение преобразуют в переменное. Применяются в устройствах бесперебойного питания, а также сварочных аппаратах где за счёт такого преобразования есть возможность уменьшения габаритов, а значит и веса устройств.
3. Конверторы постоянного напряжения. Преобразуют DC в DC. Применяются для питания аккумуляторных батарей и их подзарядки в системах где питание происходит от одного конвертора AC/DC, а каждый уже непосредственный аккумулятор получает за счёт конвертора DC/DC нужное конкретно для него напряжение.

Самые распространённые схемы

Существует несколько классических стандартных схем, которые чаще всего применяются в импульсных преобразователях постоянного напряжения. Они обеспечивают разные величины соотношений между входным и выходным напряжением. Эти схемы раскрывают саму суть преобразователей и их принцип работы.

Она используется для питания потребителей, нагрузка которых выражается большими токами и малым напряжением. Это первоочередная схема способная заменить классический низкочастотный преобразователь, в свою очередь, обеспечит увеличение КПД, уменьшит габариты и вес устройства. Транзистор VT выполняет роль электронного ключа, его работа лежит между двумя режимами осечки (полного закрытия) и насыщения (полного открытия). Расчет каждой детали производится непосредственно для конкретного потребителя и источника напряжения. Основным недостатком данной схемы является вероятность пробоя и появление полного большого входного напряжения на потребителе. Это, несомненно, приведёт к неисправности питаемого устройства.

Она может быть использована для получения напряжения на потребителе или на нагрузке больше чем на источники энергии. Применяется для подсветки дисплеев портативных компьютеров и для других электронных устройств где необходимо из небольшого напряжения сделать большее. Здесь имеет место процесс появления ЭДС самоиндукции, которая появляется после открытия транзистора. Вся накопленная энергия в дросселе попадает в нагрузку. При этом напряжение на выводах дросселя меняет свою полярность.

Инвертирующая схема

Может использоваться для получения напряжения, которое обладает обратной полярностью. При этом по значению U вых может быть меньше или больше U вх. Энергия, которая скапливается в дросселе направляется в нагрузку через сглаживающий конденсатор.

Как видно из этих схем все они не имеют гальванической развязки, то есть непосредственной изоляции вторичного выходного напряжения от входного.

Вот одна из таких схем, содержащих трансформатор. Энергия, которая накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, в нагрузку выводится через вторичную обмотку. Трансформатор в этом случае может быть и повышающим и понижающим. Применяется очень часто в сетевых источниках где есть необходимость снижения входного напряжения от нескольких сотен вольт до единиц или десятков.

В момент когда транзистор закрывается трансформатор своей индуктивностью может вызвать на коллекторе высоковольтный скачок или всплеск, что несомненно, очень плохо и может привести к пробою полупроводникового элемента. Для этого и устанавливается RC-цепочка из конденсатора и катушки индуктивности, которая может быть подключена параллельно ключу или первичной обмотке. Такой обратноходовой импульсный преобразователь широко используется во многих сетевых источниках электрического тока с небольшой мощностью порядка 100 Вт.

Еще одна схема с трансформатором и прямым включением диода изображена на схеме ниже.

Используется в источниках питания около 250 Вт. Все эти рассмотренные выше преобразователи называются однотактные, потому что за один период преобразования в нагрузку будет поступать только один импульс. Основное их преимущество - это простота схемы состоящей всего из одного транзистора, работающего в режиме ключа, а недостаток намагничивание сердечника которое не даёт в полном объёме использовать с максимальным КПД этот магнитный материал. Передача энергии потребителю и подготовка трансформатора к следующему циклу размагничивания осуществляется с некоторой паузой которая и снижает их выходную мощность.

Вот несколько практических реализованных в жизни схем, основой которого является импульсный преобразователь. Первая из них имеет регулировочный элемент, выполненный на микросхеме, в свою очередь, обе схемы выполнены на полевых транзисторах. Расчет их выполнен под напряжение для нагрузки от 5 до 12 Вольт.

Комбинированный вид. Метод свойственен системам, в которых используется автоколебательный процесс, а частота переключения находится в зависимости и от напряжений на входе, и выходе преобразователя, и от величины тока в цепи потребителя;

Триггерный метод. Используем исключительно в схеме понижающего регулятора, в котором необходимо, чтобы при закрытом состояния ключа, то есть транзистора, величина напряжения в нагрузке увеличивалась.

Критерии выбора

Критерии которым должен отвечать качественный импульсный преобразователь и стабилизатор:

• Продолжительный режим работы в экстремальных моментах когда ток в нагрузке максимален;
• Полная автоматизация регулирования напряжения на выходе. Только тогда можно не бояться ни перегрузок, ни даже короткого замыкания;
• Высокая надёжность устройства, обусловленная высоким показателем КПД и как следствие низким выделением тепла;
• Минимальные габариты и вес;
• Наличие гальванической развязки, которая исключает даже теоретически саму возможность попадания опасного напряжения входа, на выходные контакты, а значит на незащищенный потребитель.

Человек не знакомый с электроникой должен помнить при выборе нужного бытового стабилизатора напряжения что он должен соответствовать главным образом мощности тех приборов, к которым он будет подключен. А также падения и всплескам напряжения, которые могут возникнуть в сети. Лучше выбирать стабилизатор или импульсный понижающий преобразователь напряжения немного с запасом по мощности, так как количество используемых потребителей в квартирах и частных домах постоянно растёт.

Многие начинающие радиолюбители затрудняются определить тип блока питания, а ведь это не так уж и сложно. Основные способы преобразования напряжения заключаются в использовании одного из двух вариантов схемотехники:

Трансформаторные;

Бестрансформаторные источники питания.

В свою очередь трансформаторные различаются по типу схемы:

Сетевая, с трансформатором, работающим на частоте 50 Гц;

Импульсная, с трансформатором, работающим на высоких частотах (десятки тысяч Гц).

Импульсные схемы блоков питания позволяют увеличить общий КПД конечного изделия, за счет избегания статических потерь на линейных стабилизаторах и прочих элементах.

Бестрансформаторные схемы

Если возникает необходимость питания от бытовой электросети 220 В, простейшие приборы можно включить от блоков питания использующих балластные элементы для понижения напряжения. Широко известным примером такого источника питания является схема с балластным конденсатором.

Однако существует ряд драйверов со встроенным и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в и другой технике.

В случае питания от источника постоянного тока, например, аккумуляторов или других гальванических элементов питания, используют:

Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с, или без проходного транзистора, параметрического стабилизатора из стабилитрона и транзистора)

Импульсного преобразователя (понижающего - BUCK, повышающего - BOOST, или понижающе-повышающего - BUCK-BOOST)

Преимущество бестрансформаторных блоков питания и преобразователей заключаются в следующем:

Нет необходимости мотать трансформатор, преобразование осуществляется за счёт дросселя и ключей;

Следствием из предыдущего являются малые габариты источников питания.

Недостатки:

Отсутствие гальванический развязки, при неисправностях ключей приводит к появлению напряжения первичного источника питания. Это критично особенно если в его роли выступает сеть 220 В;

Опасность поражения электрическим током, как следствие гальванической связи;

Большие габариты дросселя на преобразователях высокой мощности ставят под сомнение целесообразность использования этой топологии блоков питания. При сопоставимых массогабаритных показателях можно использовать уже трансформаторный, гальванически развязанный преобразователь.

В отечественной литературе часто встречается сокращение «ИППН», которое расшифровывается как: Импульсный Понижающий (или повышающий, или и то, и другое) Преобразователь Напряжения

В качестве основы можно выделить три базовые схемы.

1. ИППН1 - Понижающий преобразователь, в англоязычной литературе - BUCK DC CONVERTER или Step-down.

2. ИППН2 - Повышающий преобразователь, в англоязычной литературе - BOOST DC CONVERTER или Step-up.

3. ИППН3 - Инвертирующий преобразователь с возможностью как повышения, так и понижения напряжения, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Как работает импульсный понижающий преобразователь?

Начнем с рассмотрения принципа работы первой схемы - ИППН1 .

В схеме можно выделить два питающих контура:

1. «+» от источника питания подаётся через закрытый ключ (транзистор любого типа соответствующей проводимости) на Lн (накопительный дроссель), далее ток протекает через нагрузку к «-» источника питания.

2. Второй контур образован из Д, дросселя Lн и подключенной нагрузки Rн.

Когда ключ замкнут, ток проходит по первому контуру, через катушку индуктивности протекает ток, и в её магнитном поле накапливается энергия. Когда мы выключаем (размыкаем) ключ, энергия, запасённая в катушке, рассеивается в нагрузку, при этом ток протекает через второй контур.

Напряжение на выходе (нагрузке) такого преобразователя равняется

Uвых=Uвх*Ku

Ku - это коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов силового ключа.

Ku=Uвых/Uвх

Коэффициент заполнения «D» - это отношение времени, когда ключ открыт, к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.

ВАЖНО: Для ИППН1 Ku=D. Это значит, что пределы регулирования данного стабилизатора приблизительно равны - 0…Uвых.

Напряжение на выходе такого преобразователя аналогично по полярности с напряжением на входе.

Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения

ИППН2 - способен повышать напряжение от напряжения питания до величины в десятки раз превышающей его. Схематически он состоит из тех же элементов что и предыдущая.

Любой преобразователь подобного типа в своем составе имеет три основных действующих компонента :

Управляемый ключ (биполярный, полевой, );

Неуправляемый ключ (выпрямительный диод);

Накопительная индуктивность.

Ток всегда протекает через индуктивность, изменяется лишь его величина.

Для того, чтобы понять принцип работы этого преобразователя, нужно вспомнить закон коммутации для катушки индуктивности: "Ток через катушку индуктивности не может измениться моментально".

Это вызвано таким явлением как ЭДС самоиндукции или противо-ЭДС. Так как электромагнитное поле индуктивности препятствует скачкообразному изменению тока, катушку можно представить в виде источника питания. Тогда в это схеме, когда ключ замыкается через катушку начинает протекать ток большой величины, но, как уже было сказано резко он возрасти не может.

Противо-ЭДС это явление, когда на концах катушки возникает ЭДС противоположное тому, что приложено. Если представить это на схеме для наглядности, придется представить катушку индуктивности в виде источника ЭДС.

Под цифрой «1» обозначено состояние схемы, когда ключ замкнут. Обратите внимания что источник питания и условное обозначение ЭДС катушки соединены положительными выводами последовательно, т.е. величины их ЭДС вычитаются. В таком случае индуктивность препятствует прохождению электрического тока, а вернее замедляет его рост. По мере роста, через определенный постоянной времени промежуток, величина противо-ЭДС уменьшается, а ток через индуктивность нарастает.

Лирическое отступление:

Величина ЭДС самоиндукции, как и любое другое ЭДС измеряется в Вольтах.

В этот промежуток времени основной ток протекает по контуру: источник питания-индуктивность-замкнутый ключ.

Когда ключ SA размыкается, схема 2. Ток начинает течь по такому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Так как сопротивление нагрузки, чаще значительно больше, чем сопротивление канала замкнутого транзистора. При этом снова - ток, протекающий через индуктивность не может измениться скачком, индуктивность всегда стремится поддержать направление и величину тока, поэтому возникает снова противо-ЭДС, но уже в обратной полярности.

Обратите внимание, как на второй схеме подключены полюса Источника питания и замещающего катушку источника ЭДС. Они соединены последовательно противоположными полюсами, а величины этих ЭДС складываются.

Таким образом происходит повышение напряжения.

Во время процесса накопления энергии индуктивности нагрузка питается энергией, которая ранее была запасена в сглаживающем конденсаторе.

Коэффициент преобразования в ИППН2 равен

Как видно из формулы - чем больше D - коэффициент заполнения, тем больше выходное напряжение. Полярность выходного питания, совпадает со входным у данного типа преобразователя.

Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирующий преобразователь напряжения довольно интересное устройство, ведь он может работать, как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения. Однако стоит учитывать, что полярность его выходного напряжения противоположна входному, т.е. положительный потенциал оказывается на общем проводе.

Инвертирование также заметно по направлению, в котором включен диод Д. Принцип работы немного похожу на ИППН2. В то время, когда ключ Т замкнут происходит процесс накопления энергии индуктивности, питание от источника не попадает в нагрузку из-за диода Д. Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает рассеиваться в нагрузке.

Ток продолжает течь через индуктивность, возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т.е. в узле соединения эмиттера транзистора (сток, если ), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.

Коэффициент преобразования ИППН3 равен:

Путем несложных подстановок коэффициента заполнения в формулу, мы определим, что до величины D в 0.5, этот преобразователь выступает в роли понижающего, а свыше - повышающего.

Как управлять такими преобразователем?

Описывать все варианты построения ШИМ-контроллеров можно бесконечно долго, об этом можно написать несколько томов технической литературы. Я же, хочу ограничиться перечислением нескольких простых вариантов:

1. Собрать схему несимметричного мультивибратора. Вместо VT3 подключается транзистор в схемах ИППН-ов.

2. Чуть более сложный вариант, но более стабильный в плане частоты - это (для увеличения нажмита на картинку).

На схеме сделать правки, VT1 - это транзистор, изменяем схему так, чтобы на его месте был транзистор ИППН.

3. Вариант использовать , так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут . Есть прекрасный видеоурок об этом.

Выводы

Импульсные преобразователи напряжения - это очень важная тема в отрасли блоков питания для радиоэлектронной аппаратуры. Подобные схемы используются повсеместно, а, в последнее время, с ростом «самодельщиков» или как это сейчас модно называть «DIY’щиков» и популярностью сайта aliexpress такие преобразователи стали особенно популярны и востребованы, вы можете заказать готовую плату ставшего уже классическим, преобразователя на LM2596 и подобных всего за пару долларов, при этом вы получите возможность регулировки напряжения или тока, или и того и другого.

Другая популярная плата - это mini-360

Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствует транзистор. Дело в том, что он встроен в микросхему, кроме него там находится ШИМ-контроллер, цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения и другое. Тем не менее эти схемы могут усиливаться установкой дополнительного транзистора.

Если вам интересно спроектировать схему под ваши нужды, тогда более подробно с расчётными соотношениями вы можете ознакомится в следующей литературе:

«Компоненты для построения источников питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, Группа компаний «Симметрон»

«Стабилизированные транзисторные преобразователи» В.С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.