Преобразователь напряжения принцип работы: назначение, функции и области применения

Содержание

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


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.

  1. 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

  1. 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.

Импульсные преобразователи напряжения переменного тока

Введение

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

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

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

γ= τ/T = τf, T=1/f, 0< γ <1,      (1)

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

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

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

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

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

Рис. 4

Принцип работы импульсного преобразователя напряжения переменного тока проще пояснить на примере схемы рис. 1. Напряжение на выходе ключа К (точка «0») относительно общей точки схемы представляет собой последовательность импульсов с регулируемым параметром γ = τ/T, амплитуды которых модулированы синусоидой входного напряжения (рис. 5). Основная гармоника последовательности импульсов согласно (2) имеет амплитуду U2m= γU1m. Высшие же гармоники легко отфильтровываются фильтром из дросселя Др и конденсатора С, поскольку их частоты на два и более порядков выше частоты основной гармоники.

Рис. 5

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

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

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

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

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

где Хт= [x1, x2, …. , xm]— вектор фазовых координат, в качестве которых выбраны токи в ин-дуктивностях и напряжения на конденсаторах, непрерывные в моменты коммутации ключа К, полагаемого идеальным, А1и A2-mxm— квадратные матрицы, элементами которых являются параметры анализируемых цепей, полагаемые постоянными, Um и Ω— амплитуда и частота преобразуемого гармонического напряжения, T0 = 2π/Ω-го период, h1T=k1cT, h2T = k2cT, cT = [1, 0,…, 0]– m — мерные векторы, T-знак транспонирования, k1 и k2 — постоянные, T = T0/N — период коммутации ключа К, NL1 — целое число.

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

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

X*(t)=X*(jΩγ)UmejΩt     (9)

где

  (10)

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

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

T= T0/NKT0, (NL 1)             (11)

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

2. Непрерывные модели основных схем преобразователей напряжения

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

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

Рис. 6

Обозначив фазовые координаты преобразователя напряжения

х1 = iL,, x2 = и2, х3 = iн,             (14)

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

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

где zn=Rn+jΩLn,  zдр=r+jΩL, zc=(jΩC)-1

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

Рис. 7

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

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

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

Рис. 8

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

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

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

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

Рис. 9

Рис. 10

Обозначив фазовые координаты

х1 = i1, х2 = u1, х3= iL, х4 = и25 = iн, (27)

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

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

где

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

Рис. 9

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

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

где

3. Анализ свойств основных схем преобразователей напряжения

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

где z нс = zнzс( z н+zс )1— комплексное сопротивление нагрузки и параллельно включенного конденсатора фильтра C.

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

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

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

iL<Um/(r22L2)

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

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

где x=1- γ, α =Re{zдр/zнс}, β=Im{zдр/zнс}

Исследование на экстремум первого выражения дает γкр для повышающего преобразователя напряжения

Этому значению у соответствует максимальная амплитуда выходного напряжения

Для инвертирующего же преобразователя напряжения

γкр=1-xкр ,                (39)

где x кр — положительный корень уравнения

      (40)

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

0,5< γкр <1 .

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

γ< γкр ,                (41)

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

У повышающих преобразователей напряжения при одинаковых γкр, то есть при одинаковых | z др/zнс| отношение (U2m)max/Um имеет разные значения, лежащие в пределах

        (42)

Нижний предел соответствует zдр/zнс= α, α =0, верхний — α =0, zдр/zнс=jβ

В инвертирующем преобразователе γкр зависит не только от модуля z/z нс, но и от его вещественной части, причем при одинаковом модуле большему значению вещественной части (α) соответствуют меньшие x к и (U2m)max/Um и большее γкр. При вещественном z /zнс (z/zнс= α) положительный корень уравнения (40) x к и соответствующие ему γкр и (U2m)max/Um имеют аналитические выражения:

Полученные выражения могут служить при известном значении | z /zнс| оценкой снизу для xкр и (U2m)max/Um и оценкой сверху для γкр

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

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

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

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

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

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

ΔLLm=UmγT/L   (45)

Для повышающей схемы следует принять γ =1-Um/U2m, а для инвертирующей — γ =U2m/(Um+U2m

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

ILm= U2m(1–γ)T/L = Umγ(1–γ)T/L,   (46)

где γ =U2m/Um

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

Максимальный размах пульсаций выходного напряжения (удвоенную амплитуду пульсаций) в повышающей и инвертирующей схемах (рис. 2 и 3) можно оценить по величине уменьшения напряжения на конденсаторе под действием максимального тока нагрузки. Этот ток разряжает конденсатор в течение времени γT, что с учетом I нm = U2m/| zн| дает

ΔU2max = Iнm(1–γ)T/C = U2m(1–γ)T/[|zн|C].    (47)

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

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

iC = iLiн.

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

ΔU2max=Um γ(1-γ)T2/(8LC)  (48)

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

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

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

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

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

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

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

Для понижающейся схемы аналогично получены формулы

ΔILm = Umγ(1–γ)T/L.      (53)

ΔU2max = Umγ(1–γ)T/[|(zдр+(1–γ)2zнс)|C] = U2m T/[|zнс|C].      (54)

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

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

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

C = Lн/[(ΩLн)2 + Rн2] = Lн/|zн|2.

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

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

где zис 1= zиzс1(zи+ zс 1 )–1 — выходное сопротивление источника входного напряжения, нагруженного на конденсатор С1. С учетом zи и zс 1 непрерывная модель преобразова-теля также представляет собой управляемый источник переменного напряжения, ЭДС которого E1mи выходное сопротивление zвых имеют значения (56).

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

4. Принципы построения устройств регулирования и стабилизации напряжения переменного тока

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

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

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

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

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

Рис. 11

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

Uвых = Uc(WW2)/(W+W1).

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

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

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

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

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

 

Выводы

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

Пример

Рассчитаем «электронный повышающий трансформатор» U1/U2 = 110/220, выполненный по схеме повышающего преобразователя напряжения, представленной на рис. 2. Рассмотрим два варианта нагрузки мощностью 1100 ВА (220 В, 5 А): zн1 = 40+18,33j, zн2=18,33+40j (|z|=U2/Iн=220/5=44Ом). Частоту коммутации f примем равной 50 кГц, то есть в 103 раз выше частоты сети f0 = 50 Гц. Допустимый размах пульсаций (удвоенную амплитуду) положим для тока дросселя равным ΔILmax= 0,225 А, а для выходного напряжения ΔI2max = 5 В.

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

Для уточнения значения γ необходимо решить относительно γ уравнение

|zнс[zдр/(1–γ)2+zнс]–1(1–γ)–1| = U2/U1,

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

|x+a/x| = U1/U2,

 где  a = zдр/zнс= jΩL(1+jΩCzн)/zн.

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

x 4+ [Re(a)–(U1/U2)2]x2+| a|2 = 0.

Комплексный коэффициент a принимает значение a 1= 0,010917+0,044878j при zн1 и a2 = 0,035229+0,020565j при zн2. Решение биквадратного уравнения дает пары положительных корней: x1= 0,4673, x 2 = 0,0988 (= 0,5327,  = 0,9012) при a 1 и x1 = 0,4120, x2 = 0,0990 (γ1 =0,5880, γ2 = 0,9010) при a2. Из пары полученных значений следует выбрать меньшее, соответствующее возрастающей ветви статической характеристики преобразователя напряжения U2=f(γ). Статические характеристики преобразователя напряжения в относительных единицах для указанных значений нагрузки z н1 и z н2 представлены на рис. 12 (кривые 1 и 2 соответственно).

Рис. 12

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

где zнс = zн1/(1+jΩCzн1) = 45,6959+11,1151j = 47,0284xe, φ = 13,67°.

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

Аналогично вычислено и для нагрузки z н2

где zнс = zн2 /(1+ jΩCzn2)= 26,8443+45,9852j = 53,2471xe, φ= 59,73°.

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

Согласно формуле (44) максимальный коммутируемый ключом К (рис. 2) ток, равный амплитуде тока дросселя, превышает амплитуду тока нагрузки в (1–γ)–1|1+zн/zс| раз, что составляет 2,0021 при z н1 и 2,0057 при z н2.

Существенный выигрыш в коммутируемом токе можно получить при zн2, выбрав емкость конденсатора фильтра из условия компенсации реактивной составляющей тока нагрузки согласно формуле

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

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

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

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

Рис. 13

Результаты моделирования и расчетов хорошо совпадают, что можно видеть из осциллограмм тока дросселя и напряжения нагрузки, представленных на рис. 14 для случая zн2,С= 14,14 мкФ.

Рис. 14

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

Преобразователь напряжения 12/220 вольт (инвертор) — принцип работы | Электроинформация

Большинство домашних электроприборов рассчитаны на питание от бытовой однофазной сети электроснабжения. То есть, они имеют рабочее напряжение 220-240 вольт. Мы очень сильно привыкли к различным электроприборам. Потому и хочется пользоваться ими всегда. В том числе и там где нет сети электроснабжения. Использовать для этого электрогенератор не всегда удобно. Ведь даже небольшой генератор достаточно громоздок и тяжел.

Инверторы 12/220 вольт

Альтернативой генератору может служить аккумулятор. Тем более, что передвигаются в места, в которых нет электроснабжения, обычно на автомобиле. В этом случае всегда под рукой автомобильный аккумулятор. Причем при разрядке аккумулятора, его можно подзарядить от генератора автомобиля. Главное, чтобы не закончился бензин. Однако, существует проблема с подобным питанием. Ведь автомобильный аккумулятор выдает постоянный ток с напряжением 12 вольт. А бытовые электроприборы питаются переменным током с напряжением 220 вольт. 

Эту проблему и решает преобразователь напряжения 12/220 вольт. Такой преобразователь обычно называют инвертором. Слово "инвертор" (invertere) можно перевести с латыни как "переворачивать, поворачивать", и даже как "извращать". То есть, инвертор "переводит" или приводит что-либо в противоположное состояние. В данном случае инвертор приводит в противоположное состояние электрический ток. Под инвертором может пониматься электронный усилитель который "переворачивает" сигнал. То есть, сдвигает фазу выходного сигнала на какой-то электрический угол относительно входного сигнала. А также, инвертор изменяющий частоту переменного тока. И наконец, инвертор как устройство для преобразования постоянного тока в переменный. О последнем устройстве и идет речь.

По большому счету, инвертор должен выполнить два действия. Во-первых, увеличить напряжение с 12 до 220 вольт. Во-вторых, инвертор должен преобразовать постоянный ток в переменный. Преобразование постоянного тока в переменный в инверторе происходит дважды.

Напряжение повышается с помощью импульсного трансформатора. Применение именно импульсного трансформатора трактуется значительным уменьшением размеров всего устройства. Однако, трансформатор может преобразовать напряжение только переменного тока. Потому посредством переключения электронных ключей, току придается определенная частота. Главную роль в таких ключах могут играть, например, полевые транзисторы. Управляются транзисторы специализированной микросхемой-генератором. Эта микросхема и задает частоту сигнала, который затем посылает на транзисторы. Это частота составляет десятки килогерц. Потому как импульсный трансформатор может работать только с высокочастотными токами. В итоге, после трансформатора получается ток нужного напряжения, но со слишком большой частотой. Потому переменный ток с помощью диодного моста выпрямляется и получается пульсирующий ток. Затем посредством конденсатора сглаживаются пульсации тока. И снова мы имеем постоянный ток. Однако, уже нужного нам напряжения.

Теперь необходимо снова преобразовать постоянный ток в переменный. Но уже нужной нам частоты. Для того, чтобы произвести это превращение в инверторе, постоянно меняется направление тока. Изменение направления происходит опять таки посредством переключения цепей этого тока. То есть, происходит то же самое действие, как если бы мы взяли батарейку и переставляли её полюса между двух входных контактов. Но изменяется направление очень быстро. Именно с той скоростью, которая нужна для создания нужной частоты электрического тока. А именно, для создания частоты 50 герц. То есть, переключение происходит 100 раз в секунду. Управляются это переключение второй микросхемой-генератором сигнала нужной частоты. Переключение происходит также с помощью групп полевых транзисторов. Потому как микросхема не может самостоятельно коммутировать большие токи. А вот силовые транзисторы рассчитаны на протекание по ним тока большой силы. Безусловно, для питания нагрузки определенной мощности подбираются подходящие транзисторы. На выходе получается переменный ток с модифицированной синусоидой частотой 50 герц и напряжением 220 вольт.

Некоторые схемы инверторов

Это очень примерное объяснение принципа работы инвертора-преобразователя. Разумеется, процессы происходящие в устройстве многочисленнее и сложнее. Существует много различных схем построения инверторов. К примеру, для того чтобы получить на выходе переменный ток с более чистой синусоидой, применяется управление транзисторами с помощью ШИМ контроллера. То есть, специализированной микросхемой с управлением посредством широтно-импульсной модуляции. Такая микросхема многократно коммутирует соответствующую пару транзисторов на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора. В итоге, с помощью высокочастотного фильтра нижних частот вычленяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора. 

Разумеется, преобразователь напряжения 220 на 12 вольт нужная и полезная вещь. Однако, нужно правильно применять это устройство. Нельзя перегружать инвертор. Нужно правильно рассчитывать мощность подключаемых электроприборов. При этом необходимо учитывать, что пусковые токи двигателей минимум в три раза больше рабочих. Если для инвертора в качестве источника питания используется автомобильный аккумулятор, то нужно соблюдать правила безопасности.

При подключении к аккумулятору мощного инвертора нужно совершать это подключение непосредственно к аккумулятору. Лучше всего это делать, отключив аккумулятор от сети электроснабжения автомобиля. Однако, необходимо постоянно контролировать заряд аккумулятора. Чтобы не разрядить его полностью. Ведь в этом случае не получится завести двигатель автомобиля. В гнездо прикуривателя можно включать лишь маломощные инверторы до 100 ватт. Стационарное подключение инвертора или не стоит делать вовсе или делать в специализированной мастерской. Чтобы подключение осуществлялось отдельным кабелем. Чтобы оно проводилось с осуществлением всех правил безопасности. И бесспорно, в любом случае инвертор нужно подключать через предохранитель соответствующего для данной мощности номинала.

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Разумеется, инвертор 220/12 применяется не только с автомобильным аккумулятором. У него может быть множество различных ниш для использования. Например, преобразование постоянного тока полученного от солнечных батарей или ветрогенератора. 

Для вашего удобства подборка публикаций

Что такое якорь и индуктор и чем они отличаются от ротора и статора?

От какого слова произошло понятие электричество?

Что такое фаза, ноль и земля в электротехнике

Главная страница

Спасибо за посещение канала, чтение заметки, упоминание в социальных сетях и других интернет — ресурсах, а также подписку, лайки, дизлайки и комментарии (Лайки и дизлайки можно ставить не регистрируясь и не заходя в аккаунт)

Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы. Преобразователь напряжения dc dc

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, 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 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 (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, 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 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».

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.

Пролог.

У меня есть два мультиметра, и оба имеют один и тот же недостаток – питание от батареи напряжением 9-ть Вольт типа «Крона».

Всегда старался иметь в запасе свежую 9-тивольтовую батарею, но, почему-то, когда требовалось что-то измерить с точностью выше, чем у стрелочного прибора, «Крона» оказывалась либо неработоспособной, либо её хватало всего на несколько часов работы.

Порядок намотки импульсного трансформатора.

Намотать прокладку на кольцевой сердечник столь малых размеров очень сложно, а мотать провод на голый сердечник неудобно и опасно. Изоляция провода может повредиться об острые грани кольца. Чтобы предотвратить повреждение изоляции, притупите острые кромки магнитопровода, как описано .

Чтобы во время укладки провода, витки не «разбегались», полезно, покрыть сердечник тонким слоем клея «88Н» и просушить до намотки.


Вначале мотаются вторичные обмотки III и IV (см. схему преобразователя). Их нужно намотать сразу в два провода. Витки можно закрепить клеем, например, «БФ-2» или «БФ-4».

У меня не нашлось подходящего провода, и я вместо провода расчётного диаметра 0,16мм использовал провод диаметром 0,18мм, что привело к образованию второго слоя в несколько витков.

Затем, так же в два провода, мотаются первичные обмотки I и II. Витки первичных обмоток также можно закрепить клеем.

Преобразователь я собрал методом навесного монтажа, предварительно связав х/б нитью транзисторы, конденсаторы и трансформатор.

Вход, выход и общую шину преобразователя вывел гибким многожильным проводом.


Настройка преобразователя.

Настройка может потребоваться для установки необходимого уровня выходного напряжения.

Я так подобрал количество витков, чтобы при напряжении на аккумуляторе 1,0 Вольт, на выходе преобразователя было около 7 Вольт. При этом напряжении, в мультиметре зажигается индикатор разряда батареи. Таким образом, можно предотвратить слишком глубокий разряд аккумулятора.

Если вместо предложенных транзисторов КТ209К будут использованы другие, тогда придётся подобрать количество витков вторичной обмотки трансформатора. Это связано с разной величиной падения напряжения на p-n переходах у различных типов транзисторов.

Я испытывал эту схему на транзисторах КТ502 при неизменных параметрах трансформатора. Выходное напряжение при этом снизилось на вольт или около того.

Также нужно иметь в виду, что база-эмиттерные переходы транзисторов одновременно являются выпрямителями выходного напряжения. Поэтому, при выборе транзисторов, нужно обратить внимание на этот параметр. То есть, максимально-допустимое напряжение база-эмиттер должно превышать необходимое выходное напряжение преобразователя.


Если генерация не возникает, проверьте фазировку всех катушек. Точками на схеме преобразователя (см. выше) отмечено начало каждой обмотки.

Чтобы не возникало путаницы при фазировке катушек кольцевого магнитопровода, примите за начало всех обмоток, например , все выводы выходящие снизу, а за конец всех обмоток, все выводы выходящие сверху.


Окончательная сборка импульсного преобразователя напряжения.

Перед окончательной сборкой, все элементы схемы были соединены многожильным проводом, и была проверена способность схемы принимать и отдавать энергию.

Для предотвращения замыкания, импульсный преобразователь напряжения был со стороны контактов заизолирован силиконовым герметиком.


Затем все элементы конструкции были размещены в корпусе от «Кроны». Для того, чтобы передняя крышка с разъёмом не утапливалась внутрь, между передней и задней стенками была вставлена пластинка из целлулоида. После чего, задняя крышка была закреплена клеем «88Н».


Для зарядки модернизированной "Кроны" пришлось изготовить дополнительный кабель со штекером типа Джек 3,5мм на одном из концов. На другом конце кабеля, для снижения вероятности короткого замыкания, были установлены стандартные приборные гнёзда, вместо аналогичных штекеров.

Доработка мультиметра.

Мультиметр DT-830B сразу же заработал от модернизированной «Кроны». А вот тестер M890C+ пришлось немного доработать.

Дело в том, что в большинстве современных мультиметров задействована функция автоматического отключения питания. На картинке показана часть панели управления мультиметра, где обозначена данная функция.


Схема автоотключения (Auto Power Off) работает следующим образом. При подключении батареи, заряжется конденсатор С10. При включении питания, пока конденсатор C10 разряжается через резистор R36, на выходе компаратора IC1 удерживается высокий потенциал, что приводит к отпиранию транзисторов VT2 и VT3. Через открытый транзистор VT3 напряжение питания и попадает в схему мультиметра.

Как видите, для нормальной работы схемы, нужно подать питание на С10 ещё до того, как включится основная нагрузка, что невозможно, так как наша модернизированная «Крона», напротив, включится только тогда, когда появится нагрузка.

В общем, вся доработка заключалась в установке дополнительной перемычки. Для неё я выбрал место, где это было сделать удобнее всего.

К сожалению, обозначения элементов на электрической схеме не совпали с обозначениями на печатной плате моего мультиметра, поэтому точки для установки перемычки нашёл так. Прозвонкой выявил нужный вывод выключателя, а шину питания +9V определил по 8-ой ножке операционного усилителя IC1 (L358).


Мелкие подробности.

Сложно было приобрести всего один аккумулятор. Их в основном продают, либо парами, либо по четыре штуки. Однако некоторые комплекты, например, «Varta», поставляются по пять аккумуляторов в блистере. Если Вам повезёт так же, как и мне, то Вы сможете разделить с кем-нибудь такой комплект. Аккумулятор я купил всего за 3,3$, тогда как одна «Крона» стоит от 1$ до 3,75$. Есть, правда, ещё «Кроны» и по 0,5$, но те и вовсе мёртворождённые.

Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.

Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.

Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много - например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Заслонка открывается и мощный поток жидкости начинает сливаться в никуда. Смысл лишь в том, чтобы этим потоком как следует разогнать турбину. Накачать ее энергией, передав энергию источника в кинетическую энергию турбины.

Фаза 2


Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.

Фаза 3


Скорость турбины на излете, энергия перешла в давление в аккумуляторе. Сил продавить клапан, подпертный с той стороны набитым давлением уже не хватает. Вот вот и все встанет. Но в этот момент вновь открывается заслонка и турбина вновь разгоняется, набирает энергию из источника, превращая энергию потока в энергию вращающихся масса металла. Потребитель, тем временем, потихоньку жрет из аккумулятора.

Фаза 4


И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.

Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.

Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике - транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!

Фаза 1


Ключ замкнут. Ток от источника начинает, фактически, работать на катушку. Накачивая ее энергией.

Фаза 2


Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.

Фаза 3


Ключ тем временем замыкается и катушка снова начинает нажирать энергию. В то же время нагрузка питается из конденсатора, а диод не дает току уйти из него обратно в источник.

Фаза 4


Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).

Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения - потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.

Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере понижающего DC-DC преобразователя


Работа
Питание через токовый шунт Rsc идет в дроссель L1 оттуда через ключ (SWC/SWE) на землю и через диод D1 на накопительный конденсатор C2. C него на нагрузку. Прям как в схеме приведенной выше. Остальные элементы для задания режима работы микросхемы.

SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC - это его коллектор, а SWE - эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть - 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
DRC - коллектор составного транзистора
Ipk - вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
TC - вход конденсатора, задающего частоту работы.
CII - вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт - ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше - выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто - напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
Vcc - Питание схемы
GND - Земля

Опыт
Для примера по быстрому развел микромодульчик, забирающий 5 вольт и выдающий 12 вольт. Схема уже приведена выше, а печатка получилась такой:


Вытравил, спаял…


Запитал от 5 вольт и нагрузил на 12ти вольтовую светодиодную линейку. КПД у моего преобразователя, кстати, получился так себе - не выше 50% т.к. слишком маленькая индуктивность дросселя и большая емкость конденсатора С3, но иного под рукой не оказалось. Даташит на MC34063A Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.
Вот калькулятор для этой микросхемы описанием на русском отобрата BSVi.

Подходит например для питания ноутбука в авто, для преобразования 12-24, для подзарядки автомобильного аккумулятора от БП на 12V и т.п

Преобразователь добирался с левым треком типа UAххххYP и о-очень долго, 3 месяца, чуть диспут не открыл.
Продавец хорошо замотал устройство.


В комплекте были латунные стойки с гаечками и шайбочками, которые сразу прикрутил, чтобы не затерялись.





Монтаж довольно качественный, плата отмыта.
Радиаторы вполне приличные, хорошо закреплены и изолированы от схемы.
Дроссель намотан в 3 провода - правильное решение на таких частотах и токах.
Единственное - дроссель не закреплён и висит на самих проводах.


Реальная схема устройства:

Наличие стабилизатора питания микросхемы порадовало - это значительно расширяет диапазон входного рабочего напряжения сверху (до 32В).
Выходное напряжение естественно не может быть меньше входного.
Подстроечным многооборотным резистором можно настраивать выходное стабилизированное напряжение в диапазоне от входного до 35В
Красный светодиодный индикатор горит при наличии напряжения на выходе.
Собран преобразователь на базе широко распространённого ШИМ контроллера UC3843AN

Схема подключения - стандартная, добавлен эмиттерный повторитель на транзисторе для компенсации сигнала с токового датчика. Это позволяет повысить чувствительность токовой защиты и снизить потери напряжения на токовом датчике.
Рабочая частота 120кГц

Если-бы Китайцы и тут не накосячили, я-бы сильно удивился:)
- При небольшой нагрузке, генерация происходит пачками, при этом слышно шипение дросселя. Также заметна задержка регулирования при изменении нагрузки.
Это происходит из-за неверно выбранной цепи компенсации обратной связи (конденсатор 100нФ между 1 и 2 ногами). Значительно уменьшил ёмкость конденсатора (до 200пФ) и подпаял сверху резистор 47кОм.
Шипение пропало, стабильность работы возросла.


Конденсатор для фильтрации импульсных помех на входе токовой защиты поставить забыли. Поставил конденсатор 200пФ между 3 ногой и общим проводником.


Отсутствует шунтирующая керамика параллельно электролитам. При необходимости, можно допаять SMD керамику.

Защита от перегрузки имеется, защиты от КЗ нет.
Никаких фильтров не предусмотрено, входной и выходной конденсаторы не очень хорошо сглаживают напряжение при мощной нагрузке.

Если входное напряжение вблизи нижней границе допуска (10-12В), имеет смысл переключить питание контроллера со входной цепи на выходную, перепаяв предусмотренную на плате перемычку

Осциллограмма на ключе при входном напряжении 12В


При небольшой нагрузке наблюдается колебательный процесс дросселя


Вот что удалось выжать в максимуме при входном напряжении 12В
Вход 12В / 9A Выход 20В / 4,5А (90 Вт)
При этом оба радиатора прилично разогрелись, но перегрева не было
Осциллограммы на ключе и выходе. Как видно, пульсации очень велики из за небольших емкостей и отсутствия шунтирующей керамики



Если входной ток достигает 10А, преобразователь начинает противно свистеть (срабатывает токовая защита) и выходное напряжение снижается

На самом деле, максимальная мощность преобразователя сильно зависит от входного напряжения. Производитель заявляет 150Вт, максимальный входной ток 10А, максимальный выходной ток 6А. Если преобразовывать 24В в 30В, то конечно он выдаст заявленные 150Вт и даже немного больше, только вряд-ли это кому-то нужно. При входном напряжении 12В, можно рассчитывать только на 90Вт

Выводы делайте сами:)

Планирую купить +91 Добавить в избранное Обзор понравился +68 +149

В основном, питание различных устройств и приборов осуществляется линейным стабилизатором. Это обусловлено привычкой и простотой схемы. Но при таком способе существует один серьезный недостаток нагрев и как следствие более высокое энергопотреблении. Хорошим выходом из данной ситуации является использование достаточно распространенных сегодня специализированных микросхем который осуществляют преобразование номинала постоянного напряжения в обоих направлениях.

Резисторы R3, R2 являются классическим делителем, с них поступает на пятый вывод обратной связи преобразователя mc34063.

Для установки нужного нам значения в вольтах на выходе преобразователя mc34063 достаточно выбрать нужные номиналы сопротивлений R3, R2. Их значения можно рассчитать с помощью специальной программы расчетки для mc34063, архив с которой вы можете скачать по ссылке чуть выше. Сопротивление R1 ограничивает ток на выходе микросхемы и предохраняет ее от короткого замыкания.

3.3В из 1.2/1.5В на MCP1640

В радиолюбительской практике возникают случаи, когда для питания самоделки необходимо напряжение 3.3 В, но под рукой имеется только типа АА или ААА на 1.2 - 1.5 В. Тогда на помощь приходят микросборки повышающих преобразователей dc dc

MCP1640 имеет отличный КПД до 96%, поддерживает уровень входного напряжения от 0.35 В и более. Выходное регулируеется в диапазоне от 2.0 В до 5.5 В. На схеме номиналы радиокомпонентов подобраны, для получения 3.3 В от типовой пальчиковой батарейки. Вывод VFB применяется для регулировки с помощью резистивного делителя. Номинальное нап-ие обратной связи составляет 1.21 В при регулировки выходного. Максимальный выходной ток - 150 мА.

3.3В из 1.2/1.5В на LTC3400

КПД этой микросборки 92%. Начальное напряжение - 0.85 В, а выходное лежит в интервале от 2.5 В до 5 В и настраивается с помощью формулы:

V OUT = 1.23V ×

Вывод LTC3400 SHDN нужно соединить с V in через подтягивающее сопротивление номиналом 1 МОм. Максимальный ток, который можно получить на выходе, составляет 100 мА. Таким образом LTC3400 или MCP1640 идеально подойдут для ваших микроконтроллерных самоделок, где питание реализовано от типовых батареек.

Схема очень похожа, но есть незначительные отличия.


Номиналы для схемы DC-DC повышающего преобразователя соответствуют выходному "U" в 12 вольт, если требуется другой номинал используйте туже программу расчетку, что и к схеме выше.

Стандартная схема двухтактного импульсного DC-DC на микросхеме TL494, работает с частотой 112 кГц. На выходе схемы стоят высоковольтные выпрямительные диоды удваивающие вольты. В схеме в качестве Т1 применяется готовый высокочастотный трансформатор марки EL33-ASH из блока питания сгоревшего принтера . Измерив сопротивления обмоток выяснилось, что соотношение их (I к II) - 1:20.


Защиту схемы от перегрузки и обратного включения питания можно сделать через предохранитель и диод, подсоединенные в прямом направлении на входе.

Повышающие преобразователи постоянного тока. - Компоненты и технологии

Для получения высокого напряжения в системах с питанием от батарей или аккумуляторов используют последовательное включение нескольких питающих элементов. Однако из-за ограничений, накладываемых на габариты устройств, это не всегда возможно.

Выход — в использовании повышающих импульсных преобразователей постоянного тока. Принцип их действия основан на применении магнитного поля катушки индуктивности для поочередного запасания энергии и передачи ее в нагрузку с другим уровнем напряжения. Благодаря малым потерям они хорошо подходят для задач, где требуется высокий КПД. Для снижения пульсаций выходного напряжения к выходу преобразователя подключаются конденсаторы. Повышающие импульсные преобразователи, обсуждаемые в этой статье, используются для получения более высокого напряжения, в то время как понижающие импульсные преобразователи, обсуждавшиеся в предыдущей статье [1], нужны для получения более низкого напряжения. Напомним, импульсные преобразователи, имеющие внутренние ключи на полевых транзисторах, называются регуляторами, а устройства, для которых необходимы внешние полевые транзисторы, — контроллерами импульсных преобразователей.

Повышение напряжения становится возможным благодаря свойству катушки индуктивности противостоять изменениям тока. В процессе заряда катушка индуктивности играет роль нагрузки и запасает энергию, а в процессе разряда она играет роль источника энергии. Напряжение в фазе разряда зависит от скорости изменения тока, а не от исходного заряжающего напряжения. Это позволяет получить выходное напряжение, отличное от напряжения на входе.

Повышающий регулятор, упрощенная схема которого приведена на рис. 1, состоит из двух ключей, двух конденсаторов и катушки индуктивности.

Рис. 1. Схема повышающего преобразователя, отражающая две основные фазы его работы

Во избежание нежелательного «сквозного тока» управление ключами осуществляется таким образом, что только один из них активен в отдельно взятый момент времени. В фазе 1 (tON) ключ В разомкнут, а ключ А замкнут. Катушка индуктивности подключена к «земле», и ток протекает от VIN на «землю». Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет положительную полярность, ток возрастает, и в катушке индуктивности запасается энергия. В фазе 2 (tOFF) ключ А разомкнут, а ключ В замкнут. Катушка индуктивности подключена к нагрузке, и ток протекает от VIN в нагрузку. Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет отрицательную полярность, ток убывает, и энергия, запасенная в катушке индуктивности, передается в нагрузку. Указанные параметры двухфазового режима работы представлены на рис. 2 в виде временных диаграмм.

Рис. 2. Временные диаграммы работы повышающего преобразователя

Импульсный преобразователь может работать в непрерывном или прерывистом режиме. При работе в непрерывном режиме (continuous conduction mode, ССМ) ток через катушку индуктивности никогда не падает до нуля. При работе в прерывистом режиме (discontinuous conduction mode, DCM) ток через катушку индуктивности может падать до нуля. Уровень пульсаций тока, обозначенный на рис. 2 как ΔIL, определяется по формуле ΔIL = (VIN×tON)/L. В нагрузку попадает постоянный ток, равный среднему значению тока через катушку индуктивности, а ток пульсаций протекает через выходной конденсатор.

Схема повышающего импульсного преобразователя включает в себя генератор, контур управления с ШИМ и коммутируемые полевые транзисторы (рис. 3).

Рис. 3. Схема повышающего импульсного преобразователя

Преобразователи, в которых в качестве ключа В используется диод Шоттки, называются асинхронными, а преобразователи, в которых в качестве ключа В используется полевой транзистор, — синхронными. В схеме на рис. 3 ключи А и В реализованы с помощью внутреннего полевого транзистора с каналом N-типа и внешнего диода Шоттки соответственно, и, таким образом, она представляет собой асинхронный повышающий импульсный регулятор. В системах с пониженным энергопотреблением, в которых требуются изоляция нагрузки и малый ток в неактивном состоянии, можно добавить внешние полевые транзисторы, как показано на рис. 4. Подача напряжения ниже 0,3 В на вывод EN устройства отключает преобразователь и полностью отсоединяет вход от выхода.

Рис. 4. Типичная схема включения ADP1612/ADP1613

Основным рабочим режимом в современных повышающих синхронных импульсных преобразователях является режим широтно-импульсной модуляции. При этом частота импульсов поддерживается постоянной, а их длительность (tON) изменяется для регулировки выходного напряжения. Средняя мощность, выдаваемая в нагрузку, пропорциональна коэффициенту заполнения импульсной последовательности:

Например, при желаемом выходном напряжении 15 В и доступном входном напряжении 5 В:

Вследствие закона сохранения энергии входная мощность равна сумме мощности, выдаваемой в нагрузку, и любых потерь. Ввиду высокой эффективности преобразования небольшими потерями при вычислении мощности можно пренебречь. Таким образом, входной ток можно аппроксимировать выражением:

Так, например, если ток нагрузки равен 300 мА при выходном напряжении 15 В, то IIN = 900 мА при входном напряжении 5 В, то есть примерно в три раза больше выходного тока. Таким образом, с ростом выходного напряжения доступный ток нагрузки убывает.

Для стабилизации выходного напряжения в повышающих преобразователях используется обратная связь по напряжению или по току. Управляющий контур позволяет поддерживать уровень выходного напряжения при изменении нагрузки. Повышающие импульсные преобразователи для систем с малым энергопотреблением обычно работают с частотой импульсов в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц. Работа на высокой частоте коммутации позволяет использовать катушки индуктивности меньших габаритов, однако при каждом удвоении частоты КПД падает примерно на 2%. В повышающих импульсных преобразователях ADP1612 и ADP1613 частоту коммутации можно выбрать при помощи вывода FREQ. При подключении вывода FREQ к «земле» устанавливается частота 650 кГц, при которой достигается максимальный КПД, а при подключении вывода FREQ к VIN устанавливается частота 1,3 МГц, позволяющая уменьшить габариты внешних компонентов.

Катушка индуктивности, являющаяся ключевым компонентом повышающего импульсного преобразователя, запасает энергию в интервале tON и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в интервале tOFF. Для достижения компромисса между малым уровнем пульсаций тока через катушку индуктивности и высоким КПД в техническом описании ADP1612/ADP1613 рекомендуется использовать катушки индуктивности с номиналом от 4,7 до 22 мкГн. В общем случае, при одинаковых размерах, катушка с малой индуктивностью обладает бóльшим током насыщения и меньшим последовательным сопротивлением, однако при этом она также имеет больший пиковый ток, что может приводить к снижению КПД, повышенным пульсациям и росту шума. Для уменьшения габаритов катушки индуктивности и повышения стабильности лучше использовать повышающий импульсный преобразователь, работающий в прерывистом режиме. Пиковый ток через катушку индуктивности (максимальный входной ток плюс половина тока пульсаций) должен быть ниже номинального тока насыщения катушки, а максимальный постоянный входной ток должен быть ниже предельного рабочего среднеквадратического тока катушки индуктивности.

Ключевые спецификации и определения повышающего импульсного преобразователя

Диапазон входных напряжений

Диапазон входных напряжений повышающего импульсного преобразователя определяет наименьшее полезное входное напряжение питания.

Ток по цепи заземления (рабочий ток)

IQ — это постоянный ток смещения, не поступающий в нагрузку. Устройства с малым значением IQ дают больший КПД. Параметр IQ может быть указан в спецификации для различных условий работы.

Ток в неактивном режиме

Это входной ток, потребляемый при неактивном уровне сигнала на выводе разрешения. Малое значение этого тока важно для поддержания долговременной работы в режиме ожидания, когда устройство находится в «спящем» режиме.

Коэффициент заполнения импульсной последовательности

Рабочий коэффициент заполнения импульсной последовательности должен быть меньше максимального коэффициента заполнения импульсной последовательности; в противном случае стабилизация выходного напряжения поддерживаться не будет. Так, например при VIN = 5 В и VOUT = 15 В, D = (VOUT VIN)/VOUT = 67%. Максимальный коэффициент заполнения импульсной последовательности у ADP1612 и ADP1613 составляет 90%.

Диапазон выходных напряжений

Точнее — диапазон поддерживаемых выходных напряжений. Выходное напряжение повышающего импульсного преобразователя может быть фиксированным или регулируемым. Во втором случае для задания желаемого выходного напряжения используются внешние резисторы.

Предельный ток

В спецификациях на повышающие импульсные преобразователи обычно указывается предельный пиковый ток, а не ток нагрузки. Обратите внимание на то, что чем больше разница между VIN и VOUT, тем меньше доступный ток нагрузки. Максимальный доступный выходной ток определяется пиковым предельным током, входным напряжением, выходным напряжением, значением частоты коммутации и номиналом катушки индуктивности.

Стабилизация по входному напряжению

Стабилизация по входному напряжению — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением входного напряжения.

Стабилизация по току нагрузки

Стабилизация по току нагрузки — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением выходного тока.

Мягкий запуск

Важно, чтобы повышающие импульсные преобразователи имели функцию мягкого запуска, которая бы обеспечивала контролируемое линейное нарастание выходного напряжения во избежание чрезмерных выбросов выходного напряжения. Интервал мягкого запуска некоторых повышающих импульсных преобразователей можно регулировать при помощи внешнего конденсатора. Когда конденсатор мягкого запуска заряжается, он ограничивает пиковый ток. Регулируемый мягкий запуск позволяет изменять время запуска в соответствии с требованиями системы.

Отключение при перегреве (Thermal Shutdown, TSD)

Если температура полупроводникового перехода становится выше определенного предельного значения, схема отключения при перегреве отключает преобразователь. Повышенная температура полупроводниковых переходов может быть следствием работы при повышенном токе, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Схема защиты от перегрева имеет гистерезис, который предотвращает возврат схемы в нормальный рабочий режим до тех пор, пока температура кристалла не станет ниже предустановленного значения.

Блокировка при пониженном напряжении (Undervoltage lockout, UVLO)

Если входное напряжение становится ниже порогового значения, то микросхема автоматически отключает ключ цепи питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает возможное ошибочное поведение при низких входных напряжениях и включение мощного устройства в условиях, когда невозможно обеспечение его нормальной работы.

Заключение

ИМС повышающих импульсных преобразователей для схем с пониженным энергопотреблением избавляют разработчиков от ряда проблем при проектировании преобразователей постоянного тока, позволяя использовать апробированные решения. Примеры расчета параметров проекта и номиналов компонентов даются в разделе технического описания ИМС, посвященном ее практическому применению. Еще больше упростить задачу проектирования позволяет инструмент проектирования ADIsimPower [4]. Дополнительную информацию можно получить, связавшись с инженерами по применению компании Analog Devices или посетив технический форум компании EngineerZone по ссылке http://ez.analog.com. Руководства по выбору повышающих импульсных преобразователей компании Analog Devices, технические описания и статьи по применению можно найти на http://www.analog.com/power.

Литература

  1. Мараско К. Эффективное применение понижающих преобразователей постоянного тока производства компании Analog Devices // Компоненты и технологии. 2011. № 10.
  2. http://www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html
  3. http://www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index.html
  4. http://designtools.analog.com/drPowerWeb/dtPowerMain.aspx
  5. Marasco K. How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully. Analog Dialogue. 2009. Vol. 43. № 3.

Статический преобразователь частоты ЧСП-20

Частотные преобразователи – это специальные устройства, используемые для плавного изменения оборотов двигателя асинхронного типа. Плавность регулирования заключается в создании трехфазного напряжения переменной частоты на выходе преобразователя. Изменение напряжения и частоты зависит от сложности случая. Так, при простой необходимости регулирования напряжения и частоты активным является регулирование с уже заданным параметром V/f, а если дело обстоит со сложной моделью, то такие преобразователи обладают возможностью векторного управления.

Что касается принципа работы, то преобразователь напряжения и частоты, или инвертор, работает следующим образом. Блок диодов отвечает за выпрямление переменного напряжения сети, в то время как батарея емкостных конденсаторов проводит ее фильтрацию, чтобы снизить уровень пульсации напряжения. Выпрямленное и частотно заниженное напряжение переходит на так называемую мостовую схему, представленную шестью управляемыми IGBT (либо MOSFET) транзисторами. Последние включены антипараллельно для собственной защиты от пробоя напряжения. Помимо этого, схема часто дополняется транзистором и резистором большой мощности рассеивания.

Принцип работы преобразователя частоты, области применение преобразователей

Использование частотного преобразователя СПЧ-20 в рабочей цепи с асинхронным двигателем представляет собой альтернативу электроприводу постоянного тока. Поскольку данные электродвигатели отличаются относительно простой системой регулирования скорости, во время работы есть вероятность искрения щеток, что не позволяет его использовать на взрывоопасном производстве.

По этой причине асинхронные двигатели в сочетании с преобразователями обладают более существенной степенью безопасности, отличаются надежностью и мощностью. Современные устройства, позволяющие регулировать частоту вращения механизма, включают в себя несколько видов:

  • механические вариаторы,
  • гидравлические муфты,
  • электромеханические преобразователи частоты,

Но именно статический преобразователь частоты СПЧ-20 позволит добиться наибольшей производительности работы системы, поскольку имеется возможность высокоточного регулирования частоты. Данные устройства также позволяют существенно сэкономить на их установке. Если вы решили купить частотный преобразователь, то мы готовы предложить вам надежное и долговечное устройство, сконструированное с полным соблюдением стандартов качества.

Отправить заявку

Как работает преобразователь постоянного тока в постоянный ток?

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

Преобразователи постоянного тока в постоянный 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 / постоянного тока

 

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 полезно использовать преобразователи на переключающих конденсаторах. Использование этих преобразователей не требует дорогостоящих комплектующих, что позволяет создавать доступные и компактные блоки питания. Такие преобразователи могут иметь как фиксированное, так и регулируемое напряжение.

  1. 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:

  • Понижающий импульсный преобразователь. 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

  1. 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 тока в постоянный

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 давления

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.

Фаза 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 все 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 индукционный дроссель вместо турбины. Транзистор используется вместо дросселя, который регулирует поток воды. Диод действует как вентиль, а конденсатор используется вместо резервуара для хранения давления.
Так выглядит преобразователь постоянного тока в постоянный. Как это работает? Почти то же.

Фаза 1 - индуктивность накапливает заряд

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

Фаза 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.

Фаза 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.

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
  • Каскадирование 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 это вообще 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 разработал 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.

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

LM131

После того, как он ушел из Philbrick, он присоединился к National и разработал преобразователь напряжения в частоту LM131 3 , используя совершенно другие идеи, чем любая 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 - применять гораздо проще. 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 одно примечание к приложению, показывающее, 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, так как в моей сокращенной версии, к сожалению, пришлось опустить большинство важных технических фактов.

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?

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. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сбрасывая ошибку до нуля.

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.

Линейным регуляторам, таким как MP2018, для работы требуются только входной и выходной конденсаторы (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 расчетную рассеиваемую мощность линейного регулятора в приложении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к высокому рассеиванию 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.

Регулятор напряжения

Четыре основных компонента линейного регулятора - это проходной транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение и цепь обратной связи резистора. Один из входов усилителя ошибки установлен двумя резисторами (R1 и R2) для контроля процентного значения выходного напряжения.Другой вход - это стабильное опорное напряжение (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 так 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 коммутации, 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. Стандартно смотреть на параметры опорного напряжения. Это ограничивает нижнее 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, V IN , V OUT , I OUT ).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 электронике

_________________________

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

Получить техническую поддержку

Как работает трансформатор напряжения ~ Изучение электротехники

Функция трансформатора основана на том принципе, что электрическая энергия эффективно передается за счет магнитной индукции от одной цепи к другой.В основном трансформатор состоит из двух или более обмоток, расположенных на одном магнитном пути. Обмотка, на которую подается электрическая энергия, называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключена нагрузка, называется вторичной обмоткой. Типичное действие двухобмоточного трансформатора показано ниже:
Трансформатор Action

Когда первичная обмотка трансформатора запитана от источника переменного тока (AC), в сердечнике трансформатора создается переменное магнитное поле.Через сердечник циркулируют переменные магнитные силовые линии, называемые «потоком». Во второй (вторичной) обмотке вокруг того же сердечника напряжение индуцируется переменными магнитными линиями. Нагрузка, подключенная к выводам вторичной обмотки, вызывает протекание тока.

Детали трансформатора

Трансформатор состоит из двух основных неподвижных частей:

(а) Сердцевина из многослойного железа

(b) Обмотки (первичная и вторичная)

Сердечник из ламинированного железа

Железный сердечник трансформатора состоит из листов проката.Это железо обрабатывают таким образом, чтобы оно обладало высокой магнитной проводимостью (высокой проницаемостью) по всей длине сердечника. Проницаемость - это термин, используемый для описания случая, когда материал будет проводить магнитные силовые линии.

Железо также имеет высокое омическое сопротивление на пластинах (по всей толщине сердечника). Стальные листы необходимо ламинировать, чтобы уменьшить нагрев сердечника. Существует два распространенных типа сердечников трансформаторов:

(а) Тип сердечника

(б) Корпус типа


Трансформаторы с сердечником и корпусом

В трансформаторе с сердечником (в форме сердечника) обмотки окружают сердечник.В трансформаторе кожухового типа стальная магнитная цепь (сердечник) образует кожух, окружающий обмотки. В форме сердечника обмотки находятся снаружи; в форме оболочки обмотки находятся внутри.

Обмотки

Трансформатор имеет две обмотки; первичная обмотка и вторичная обмотка.

Первичная обмотка - это катушка, которая получает энергию. Его формируют, наматывают и надевают на железный сердечник. Вторичная обмотка - это катушка, которая отводит энергию с преобразованным или измененным напряжением.

Типы трансформаторов

Трансформаторы классифицируются по разным критериям. Однако вот список наиболее распространенных универсальных типов трансформаторов:

(а) Однофазные трансформаторы

(б) Трехфазные трансформаторы

(c) Трансформаторы потенциала или напряжения

d) Автотрансформаторы

(e) Трансформаторы тока

(е) Силовые трансформаторы

Коэффициент напряжения трансформатора

Напряжение на обмотках трансформатора прямо пропорционально количеству витков на катушках обмоток.Эта связь выражается формулой:

Коэффициент напряжения трансформатора

Где:

Vp = напряжение на первичных обмотках, В

Vs = напряжение на вторичных обмотках, В

Np = количество витков первичной обмотки

Ns = количество витков на вторичных обмотках

Отношение Vp / Vs называется отношением напряжений (VR). Отношение Np / Ns называется отношением оборотов (TR).

Соотношение напряжений 1: 4 (читается как от 1 до 4) означает, что на каждый вольт на первичной обмотке трансформатора приходится 4 В на вторичной. Когда вторичное напряжение больше первичного, трансформатор называется повышающим трансформатором.

Соотношение напряжений 4: 1 означает, что на каждые 4 В первичной обмотки приходится только 1 В на вторичной. Когда вторичное напряжение меньше первичного, трансформатор называется понижающим трансформатором.

Коэффициент текущей ликвидности

Ток в катушках трансформатора обратно пропорционален напряжению в катушках.Эта связь выражается уравнением:

Коэффициент тока трансформатора

Где:

Ip = ток в первичной обмотке, А

Is = ток вторичной обмотки, А

В приведенном выше уравнении мы можем заменить Vp / Vs Np / Ns, так что мы имеем:

КПД трансформатора

КПД трансформатора равен отношению выходной мощности вторичной обмотки к мощности, потребляемой первичной обмоткой.

Идеальный трансформатор имеет 100-процентный КПД, потому что он передает всю получаемую энергию.

Однако из-за потерь в сердечнике и меди КПД даже самого лучшего практичного трансформатора составляет менее 100 процентов. Выражается в виде уравнения:

КПД трансформатора

Где:

Eff = КПД

Ps = выходная мощность из вторичной обмотки = входная мощность - потери в сердечнике - потери в меди

Pp = потребляемая мощность на первичной обмотке

Эффективность хорошо спроектированных трансформаторов очень высока, в среднем более 98 процентов (%) для силовых трансформаторов.Единственные потери в трансформаторе связаны с потерями в сердечнике, которые идут на поддержание переменного магнитного поля, потерями сопротивления в катушках и мощностью, используемой для охлаждения больших трансформаторов, требующих охлаждения.

Основная причина высокого КПД трансформаторов по сравнению с другим оборудованием - отсутствие движущихся частей. Трансформаторы называются статическими машинами переменного тока.

Конвертер

uk | Plexim

Принцип работы

Преобразователь Чук преобразует постоянное напряжение на входе в постоянное напряжение на выходе с обратной полярностью.По сравнению с понижающим, повышающим и пониженно-повышающим преобразователями, преобразователь Ćuk использует дополнительную индуктивность и конденсатор для хранения энергии. Рассмотрим следующую последовательность состояния проводимости MOSFET:

  • 1. Включенное состояние : ток через индуктивность L 1 линейно увеличивается, и диод блокируется.
  • 2. Выключенное состояние : Поскольку ток через катушку индуктивности L 1 не может резко измениться, диод должен проводить ток, поэтому он коммутируется и начинает проводить.Энергия передается от катушки индуктивности L 1 к среднему конденсатору C 2 , что приводит к уменьшению тока катушки индуктивности.
  • 3. Включенное состояние : ток через катушку индуктивности L 1 снова линейно увеличивается, и диод блокируется. Средний конденсатор разряжается и питает RC-нагрузку через катушку индуктивности L 2 . Индуцированное напряжение на резисторе R имеет полярность, противоположную входному напряжению.

Схема имеет два предела действия.Для рабочего цикла ШИМ D 0 выходное напряжение равно нулю, а для D ➝ 1 выходное напряжение растет в сторону отрицательной бесконечности. Между этими пределами выходное напряжение в режиме непрерывной проводимости определяется выражением: В на выходе = -D / (1-D) · В на выходе . Комбинация катушек индуктивности и конденсаторов действует как фильтр нижних частот второго порядка, уменьшая пульсации напряжения на выходе.

По сравнению с предыдущими преобразователями постоянного напряжения в постоянный (понижающий, повышающий и пониженно-повышающий) преобразователь Ćuk всегда допускает непрерывное протекание тока через катушки индуктивности, и, следовательно, режим прерывистой проводимости невозможен.

Эксперименты

  • Измените рабочий цикл ШИМ преобразователя с 0,5 на 0,4 и 0,6 и посмотрите, как среднее выходное напряжение изменится на 16 В и 36 В соответственно.
  • Измените емкость конденсатора постоянного тока с 10 мкФ на 100 мкФ и посмотрите, как уменьшаются пульсации выходного напряжения.

Принцип работы понижающего преобразователя постоянного тока

Это принцип работы понижающего преобразователя постоянного тока. Мы часто используем его как схему понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный.Потому что это импульсный источник питания.

Работает включением и выключением. Таким образом, он может получить гораздо более высокую энергоэффективность, чем линейный источник питания.

Почему?

Он понижает входное напряжение от высокого до низкого выходного напряжения. В то время как он будет увеличивать выходной ток для нагрузки.

Итак, импульсный блок питания очень популярен. Потому что это схема энергосбережения.

Подробнее: как это работает и типы

Считаете ли вы, что переключение питания - это сложно? особенно новичок или любитель электроники.

Да!

Но подождите, попробуйте это прочитать. Это может изменить ваше мнение.

Можно попробовать поиграть или реально использовать. Нам не нужно использовать дорогие детали или слишком сложные. У вас уже точно есть оборудование.

Основной принцип понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный

См. Простую блок-схему. Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный работают как импульсный источник питания. Его вход - нерегулируемый источник постоянного тока. На выходе - стабильное регулируемое постоянное напряжение.

Проще говоря, преобразователь постоянного тока в постоянный изменяет источник напряжения. Чтобы выше или ниже или что-то еще. Целью дизайнера или нашей схемотехнической идеей.

Если мы видим базовую схему понижающего преобразователя как Рисунок 2. Это легко понять:

  • Vin - это входное напряжение, столь же популярное, как и в США. И « Uin » для европейской страны.
  • Vout - выходное напряжение США. И « Uout » в странах Европы.

В этой схеме он состоит только из 3 основных компонентов.

  • S - переключатель, в реальной схеме мы используем транзистор.
  • D - диод.
  • L - катушка или индикатор.
  • C - конденсатор.
Базовая принципиальная схема понижающего преобразователя


Рисунок 2: Принцип работы понижающего преобразователя

Рисунок 2 представляет собой базовую схему понижающего преобразователя. Он питает определенное выходное напряжение.Другие системы преобразователей могут назвать это понижающим.

Пошаговый процесс

Сначала Vin заряжается в конденсаторе до полного заряда. Его напряжение такое же, как на входе блока питания.

Затем переключатель замкнут в цепь. Следовательно, положительное напряжение должно падать на катушке L.

Рекомендуется: Это сложно? Изучите схему источника питания

Ток, протекающий через катушку , увеличивается с линейной скоростью.Пока в катушке запасена энергия.

Затем открывается буква S. Таким образом, ток L течет к выходному конденсатору.

И протекает через диод (D). Это приводит к падению напряжения на катушке L в обратном (отрицательном) направлении.

Энергия, запасенная в выходном конденсаторе

А, ток через катушку уменьшается линейно. Энергия, запасенная на выходном конденсаторе.

Когда переключатель (S) снова подключен к цепи. Система начала работать по новой. Чтобы иметь возможность непрерывно питать нагрузку.

Вы можете узнать другие

На практике сложно управлять переключателем (S). Это сделает энергию на выходе. Как это сделать?


Рисунок 3 Три типа режима тока

Примечание: См. Примеры схем

Я вижу вас сонным. Потому что читать принципы работы скучно, мне тоже. Конечно, нам нравится видеть схему и схему. Мы ведь мечтали сделать отличный проект? Но обучение так важно.Когда мы узнаем это, мы сможем сделать эти схемы, как показано ниже.

  1. Принцип работы понижающего преобразователя постоянного тока
  2. Схема импульсного драйвера светодиода (экономия энергии)
  3. USB 5В в 12В Схема повышающего преобразователя постоянного тока
  4. Простой импульсный источник питания на транзисторе 12В
  5. Схема повышающего преобразователя от 1,5 В до 5 В для микрокомпьютера
  6. Схема повышающего преобразователя от 5 В до +/- 12 В или выше с использованием транзистора

Для большего понимания вам следует прочитать все.

Кстати, продолжаем изучать принцип понижающего преобразователя постоянного тока.

Обычно электричество течет в 3-х режимах. Как показано на Рисунке 3.

  • Непрерывный режим (CM) : Когда переключатель замкнут. Затем в катушке непрерывно течет ток. См. Рисунок 3A.
  • Прерывистый режим (DM): Но если мы контролируем время для включения-выключения.
  • Граница CM / DM: В этом режиме переключатель включается немедленно, если ток катушки упадет до нуля.

Слишком много принципов для управления переключателями ВКЛ-ВЫКЛ. Но нам не обязательно использовать все принципы в одной работе. Потому что наш какой-то проект использует только несколько принципов. Мы действительно хотим знать то, что мы изучаем, только один раз.

или

Давайте посмотрим на настоящую схему. Рассказать историю. Это лучшее решение. Мы действительно хотели бы попасть в следующие схемы.

Learn Next: Схема драйвера светодиода режима переключения

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *