Преобразователь постоянного напряжения в постоянное: Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC). Какие они бывают (подборка с Алиэкспресс)

Содержание

Повышающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное

   Повышающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (Step-Up Voltage Converter, Step-Up Voltage Regulator, Boost Converter, ПвП), имеют ту особенность, что выходное напряжение V0 этих преобразователей больше входного нестабилизированного напряжения VIN. Кроме того, V0 стабильно при изменении VIN и выходного тока I0 преобразователя. Это обстоятельство определяет применение ПвП для питания стабилизированным напряжением главным образом электронной аппаратуры с батарейным питанием (входное напряжение в этом случае невелико) или некоторых блоков такой аппаратуры, для питания которых требуется напряжение большей величины, чем для остальных.

   В статье рассмотрен принцип действия ПвП, описаны интегральные схемы для реализации таких преобразователей вместе с основными их электрическими параметрами. Как правило, такие ПвП обеспечивают положительное V0.

Принцип работы


   Основная схема ПвП приведена на рис.1 а. Ключ S является биполярным транзистором структуры n-p-п или МОП-транзистором. Интервал времени, в течение которого транзистор открыт (ключ замкнут, отрезок t

0N на рис.1б), и интервал, когда транзистор закрыт (ключ разомкнут, отрезок t0FF), определяются схемой управления CON. При замыкании ключа (моменты t0 и t2 на рис. 1.б) напряжение в точке соединения диода VD и катушки L равно нулю (U = 0), если пренебречь падением напряжения на S и Rs. Диод VD закрыт благодаря положительной величине выходного напряжения, поддерживаемого зарядом, накопленным в конденсаторе С. К катушке L приложено входное напряжение VIN, и через нее и S проходит линейно возрастающий ток

благодаря которому в катушке накапливается энергия магнитного поля. За время tON ток в катушке возрастает на величину:

Рис. 1.а Основная схема ПвП

   При этом заряженный конденсатор С обеспечивает выходной ток Io схемы. При размыкании S (момент t1 на рис.1б) полярность напряжения, приложенного к L, меняет свое направление и становится такой, как показано на рис. 1а. Это напряжение складывается с VIN, обеспечивая соотношение U > Vo и открывание диода VD. Приложенное к L внешнее напряжение, равное VIN - Vo, определяет проходящий через нее ток:

Его величина со временем линейно уменьшается, т.к. катушка отдает свою энергию для поддержания тока I0 и восстановления заряда С. За время t0FF отдается лишь часть накопленной энергии, поэтому изменение тока составляет (с учетом соотношения величин VIN и Vo)

Знак минус в верхнем индексе тока указывает на то, что этот ток течет за счет расходования энергии катушки.Исходя из очевидного соотношения

которое имеет место в установившемся режиме работы, получаем зависимость:

(1)

   Отсюда видно, что всегда Vo > VIN, т.е. схема является ПвП. Обычно CON задает постоянную частоту

импульсов UCON, управляющих S. При этом Vo можно изменять, варьируя t0FF, что означает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) (Pulse-Width Modulation, PWM). Более того, всякое нежелательное изменение Vo приводит к такому изменению t0FF, чтобы восстановилось исходное значение Vo. Таким образом, работа ПвП в качестве стабилизатора обеспечивается CON через непрерывное изменение коэффициента заполнения (Duty Factor):

управляющих импульсов. Выражение (1) часто записывается в виде

Рис. 1. б Временные диаграммы, поясняющие принцип работы

   Во время работы ПвП могут возникать скачки тока iL из-за резкого изменения VIN или сопротивления нагрузки на выходе, что может привести, пусть даже и за короткое время, к нежелательному насыщению катушки. Избежать этого можно при помощи токовой ШИМ, при которой CON регулирует ток через замкнутые контакты S, для чего используется резистор Rs, показанный на рис. 1а пунктирной линией. Реже используются ПвП с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ, Pulse-Frequency Modulation, PFM), при которой изменяются одновременно fo и δ.

   Ток iL имеет постоянную составляющую l0, которая является выходным током ПвП, и нежелательную переменную составляющую ΔIL, почти полностью проходящую через конденсатор С. Для нормальной работы ПвП рекомендуется обеспечить соотношение ΔIL=0,4 I0. Оставшаяся небольшая часть ΔIL проходит через нагрузку. Это означает, что выходное напряжение Vo имеет переменную составляющую. В этом заключается серьезный недостаток ПвП, который ограничивает их использование в электронной аппаратуре, обеспечивающей усиление слабых сигналов.

   Уменьшение IО означает накопление в L и, соответственно, отдачу нагрузке меньшей энергии. При Iomin = 0,5·ΔIL (пунктирная линия на рис.1.б), накопленная энергия и IL становятся равны 0 в момент замыкания ключа S. Дальнейшее уменьшение iО не рекомендуется, хотя такой режим работы, в принципе, возможен. Для того чтобы избежать режима работы, при котором i00min, на выход преобразователя ставят резистор (резистор R на рис. 1.а).

   Важная особенность ПвП состоит в том, что ток IIN, потребляемый от источника VIN, больше io и имеет величину

(2)

где &????; — коэффициент полезного действия (КПД) ПвП.

Схемы управления ПвП


   Они имеют аналогичные схемные решения и принцип работы, что и ПнП [1].

Интегральные схемы ПвП


   Обобщенная структура ИС для ПвП приведена на рис.2а вместе с внешними элементами, которые необходимо к ней подключить. Пунктирной линией отмечены связи, используемые только в некоторых ИС. Питание всех каскадов ИС обеспечивается внутренним стабилизатором VR. Выходное напряжение Vo поступает на вход обратной связи FB. Благодаря делителю R1-R2 определенная его часть подается на инвертирующий вход усилителя ошибки ЕА. К неинвертирующему входу этого усилителя приложено опорное напряжение VREF (около 1,25 В) от источника REF. В некоторых ИС оно выводится на отдельный вывод. Между ним и "землей" подключается конденсатор емкостью около 10 нФ, чтобы на неинвертирующий вход усилителя ошибки не проникали внешние помехи. Существуют ИС ПвП, в которых стабильная работа усилителя ошибки требует подключения к его выходу (вывод компенсации СОМР) внешней цепи RC. Усиленная ЕА разность

Рис. 2.а. ИС для ПВП

сравнивается компаратором Comp с линейно изменяющимся напряжением фиксированной частоты fo, генерируемым встроенным генератором OSC. Результатом этого сравнения являются импульсы ШИМ на выходе компаратора, которые управляют ключом S через буфер BUF. В некоторых ИС ключ S устанавливается вне схемы. В этом случае вывод SW является выходом BUF (рис.2.б). Достаточно редко диод VD является конструктивным элементом ИС (рис.2.в).

Рис. 2.б. Вывод SW является выходом BUF

Рис. 2. в. Иногда диод VD является конструктивным элементом ИС

   Схема, приведенная на рис.2а, рассчитана на фиксированное выходное напряжение Vo. Существуют ПвП с регулируемым Vo, при использовании которых R1-R2 являются внешним делителем, а вывод FB непосредственно соединен с инвертирующим входом усилителя ошибки.

   Одной из постоянно расширяющихся областей применения ПвП служит аппаратура, питаемая от одной батареи (Single-Cell Instruments). Это щелочной или никель-кадмиевый элемент с напряжением 1,15...1,56 В или литиевый элемент с напряжением 2,30...3,10 В. Так как при этом требуется, чтобы ИС нормально работала вплоть до напряжения питания VIN = 1 В, она имеет иную конструкция, приведенную на рис.2.г. Напряжение VIN через фильтрующую катушку Lo (ее индуктивность — несколько миллигенри) питает только генератор OSC. На своем дополнительном выходе он создает достаточно высокое переменное напряжение, которое преобразуется в постоянное выпрямительным блоком REC. Полученное постоянное напряжение V+, обычно 12 В, фильтруется внешним конденсатором С емкостью около 1 мкФ и стабилизируется VR, который, в свою очередь, питает остальные блоки ИС.>

Рис. 2. г. Конструкция ПнП, работающая на одной батареи

Таблица 1

Тип микро-
схемы
Тип моду-
ляции
Vo,ВIomax,AКПД,%fo,кГцVINLRLdRVREF,B
LM2577ШИМ12;
15;
5..50
380523,5..4020мВ20мВ1,23
LM2587ШИМ3,3;
5,0;
12;
5..50
5751004..4020 мВ20 мВ1,23
МАХ654ШИМ50,04-181,15..1,56--1,25
МАХ655ШИМ50,06-182,30..3,10--1,25
МАХ657ШИМ30,06-181,15..1,56--1,25
МАХ659ШИМ30,06-182,30..3,10--1,25
МАХ731ТШИМ50,282...871702,5...5,520,2%/В0,005%/мА1,23
МАХ732ТШИМ120,282...921704,0..9,30,2%/В0,0035%/мА1,23
МАХ733ТШИМ150,12582..921704,0..9,30,2%/В0,0035%/мА1,23
МАХ734ТШИМ120,12851704,0..11,00,2%/В0,0035%/мА1,23
МАХ751ТШИМ50,15861702,7..5,00,2%/В0,005%/мА1,23
МАХ752ТШИМ1,8..150,285..951701,8..11,00,2%/В0,0035%/мА1,23
МАХ756ЧИМ3,3;50,2871,8..5,6--1,25
МАХ777ЧИМ50,24851,0..6,2---
МАХ778ЧИМ3,0;3,30,24851,0..6,2---
МАХ779ЧИМ1..60,24851,0..6,2---

Основные параметры


   Они совпадают с параметрами понижающих преобразователей, рассмотренных в [2]. Исключение составляет естественное отсутствие параметра (VIN - V0)min но вместо него приводится величина минимальной разности между входным и выходным напряжениями.

   В таблице приведены основные параметры ИС ПвП двух крупнейших мировых производителей, а также указан использованный вид модуляции. Здесь LM — это изделия фирмы National Semiconductor, MAX — схемы фирмы MAXIM.

Рис. 3 Цоколевка ИС, приведенных в таблице 1

   Для ПвП с ЧИМ в качестве параметров даются минимальный интервал времени tOFF MIN, в течение которого ключ замкнут, и максимальный интервал времени t0N max- в течение которого ключ разомкнут. Цоколевка ИС, приведенных в таблице, дана на рис. З.

Литература

  1. Куцаров, С. Понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное. — Радиомир, 2003, N 7.
  2. Куцаров, С. Применение понижающих преобразователей. — Радиомир, 2003, N 10.

Автор: С. Куцаров

принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated

17 декабря 2019

Александр Русу (г. Одесса)

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

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

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

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

Сравнение линейного и импульсного способов преобразования

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

Фундаментальную разницу между линейным и импульсным способами уменьшения напряжения можно понять из рисунка 1. Линейный стабилизатор работает по принципу резистивного делителя напряжения. Его регулирующий элемент (транзистор VT1) функционирует в активном режиме, обеспечивая такое падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера, чтобы выходное напряжение VOUT на нагрузке RLOAD находилось в заданных пределах. Поскольку через транзистор VT1 протекает весь ток нагрузки IOUT, КПД данной схемы будет напрямую зависеть от разницы напряжений между входом и выходом (формула 1):

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

где РIN и POUT – соответственно, входная и выходная мощности преобразователя.

Рис. 1. Сравнение линейного и импульсного способов уменьшения напряжения

Рис. 1. Сравнение линейного и импульсного способов уменьшения напряжения

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

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

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

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

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

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

Таблица 1. Сравнение импульсного и линейного способов преобразования

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

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

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

Принцип работы импульсных преобразователей

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

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S1 замыкается, и к дросселю L1 прикладывается некоторое напряжение VL1, под действием которого за время tON его ток возрастает на величину dI1 (формула 2, рисунок 3):

$$dI_{1}=\frac{V_{L1}}{L_{1}}\times t_{ON},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где L1 – индуктивность обмотки, активной на первом этапе.

При этом к диоду VD1 приложено напряжение обратной полярности, поэтому ток через него не протекает. В конце этого интервала ток дросселя достигает максимального значения IMAX1, а это значит, что в его магнитопроводе накапливается энергия E (формула 3):

$$E=\frac{I_{MAX1}^2\times L_{1}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

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

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

Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S1 также будет максимальным, однако его величина IMAX2 может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):

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

где L2 – индуктивность обмотки, активной на втором этапе.

Дроссель понижающей, повышающей и инвертирующей схем обычно содержит только одну обмотку, поэтому L1 = L2, а значит и IMAX1 = IMAX2 = IMAX. А вот для обратноходовой схемы индуктивности L1 и L2 чаще всего отличаются, поэтому ток IMAX2 можно определить (формула 5), приравняв формулы 3 и 4 :

$$I_{MAX2}=I_{MAX1}\times \sqrt{\frac{L_{1}}{L_{2}}}=I_{MAX1}\times \frac{N_{1}}{N_{2}},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где N1 и N2 – количество витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток.

Вторую часть формулы 5 можно легко получить, вспомнив, что индуктивность обмотки пропорциональна квадрату количества витков (формула 6):

$$L_{1,2}=N_{1,2}^2\times A_{L},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где AL – конструктивный параметр магнитопровода.

После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне VL2, под действием которого ток дросселя за время tOFF уменьшится на величину dI2 (формула 7):

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

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

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

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

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

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

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь (Step-Down Converter, Buck Converter) обычно имеет только одну обмотку, поэтому N1 = N2. На первом этапе преобразования к дросселю приложена разница входного и выходного напряжений (VL1 = VIN – VOUT), а на втором – только выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунке 4. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 10:

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

Следовательно (формула 11):

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

Рис. 4. Принцип работы понижающего преобразователя

Рис. 4. Принцип работы понижающего преобразователя

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

Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь (Step-Up Converter, Boost Converter) также обычно строится на основе однообмоточного дросселя (N1 = N2). На первом этапе преобразования, когда ключ S1 замкнут, к обмотке дросселя приложено полное напряжение питания (VL1 = VIN), а вот на втором есть разница между входным и выходным напряжениями (VL1 = VOUT – VIN), как показано на рисунке 5. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 12:

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

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

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

Рис. 5. Принцип работы повышающего преобразователя

Рис. 5. Принцип работы повышающего преобразователя

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

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (VL1 = VIN), а на втором – полное выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (формула 14):

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

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Особенности преобразователей nanoPower

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

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

Рис. 9. Контроллер преобразователя с методом управления по напряжению

Рис. 9. Контроллер преобразователя с методом управления по напряжению

Рис. 10. Контроллер преобразователя с методом управления по току

Рис. 10. Контроллер преобразователя с методом управления по току

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 2. Характеристики микросхем nanoPower

Наименование Ток, потребляемый от выходных цепей IQOUT, нА Ток, потребляемый в выключенном состоянии ISDT, нА Максимальный ток накопительного дросселя, мА Выходной ток, мА Корпус Отладочная плата
MAX38640A 330 5 250 160 WLP/6 MAX38640EVKIT
MAX17220 300 0,5 225 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17222 300 0,5 500 200 WLP/6 MAX17222EVKIT
MAX17223 300 0,5 500 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17224 300 0,5 1000 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17225 300 0,5 1000 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
Рис. 12. Структурная схема микросхем MAX17220…25

Рис. 12. Структурная схема микросхем MAX17220…25

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

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

Рис. 13. Структурная схема микросхем MAX38640…43

Рис. 13. Структурная схема микросхем MAX38640…43

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

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

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы MAX17222EVKIT

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы MAX17222EVKIT

Заключение

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

Дополнительные материалы:

Статьи:

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

Новости

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

 

•••

Наши информационные каналы

Преобразователи напряжения. Виды и устройство. Работа

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

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

Устройство
Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:
  • Инвертирующие.
  • Повышающие.
  • Понижающие.
Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:
  • Ключевой коммутирующий элемент.
  • Источник питания.
  • Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
  • Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
  • Блокировочный диод.

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

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

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:
  • Регуляторы напряжения.
  • Преобразователи уровня напряжения.
  • Линейный стабилизатор напряжения.
Преобразователи переменного тока в постоянный:
  • Импульсные стабилизаторы напряжения.
  • Блоки питания.
  • Выпрямители.
Преобразователи постоянного тока в переменный:
Преобразователи переменного напряжения:
  • Трансформаторы переменной частоты.
  • Преобразователи частоты и формы напряжения.
  • Регуляторы напряжения.
  • Преобразователи напряжения.
  • Трансформаторы разного рода.
Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:
  • На пьезоэлектрических трансформаторах.
  • Автогенераторные.
  • Трансформаторные с импульсным возбуждением.
  • Импульсные источники питания.
  • Импульсные преобразователи.
  • Мультиплексорные.
  • С коммутируемыми конденсаторами.
  • Бестрансформаторные конденсаторные.
Особенности
  • При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
  • Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
  • По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

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

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

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

  • Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
  • Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.
Достоинства и недостатки
К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:
  • Обеспечение контроля входного и выходного режима тока. Эти устройства трансформируют переменный ток в постоянный, служат в качестве распределителей напряжения постоянного тока и трансформаторов. Поэтому их часто можно встретить в производстве и быту.
  • Конструкция большинства современных преобразователей напряжения имеет возможность переключения между разным входным и выходным напряжением, в том числе предполагает выполнение подстройки выходного напряжения. Это позволяет подбирать преобразователь напряжения под конкретный прибор или подключаемую нагрузку.
  • Компактность и легкость бытовых преобразователей напряжения, к примеру, автомобильных преобразователей. Они миниатюрны и не занимают много места.
  • Экономичность. КПД преобразователей напряжения достигает 90%, благодаря чему существенно экономится энергия.
  • Удобство и универсальность. Преобразователи позволяют подключать быстро и легко любой электроприбор.
  • Возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния благодаря повышению напряжения и так далее.
  • Обеспечение надежной работы критических узлов: охранных систем, освещения, насосов, котлов отопления, научного и военного оборудования и так далее.
К недостаткам преобразователей напряжения можно отнести:
  • Восприимчивость преобразователей напряжения к повышенной влажности (кроме преобразователей, специально созданных для работы на водном транспорте).
  • Занимают некоторое место.
  • Сравнительно высокая цена.
Похожие темы:

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Отключение электроэнергии в наших домах, увы, становится традицией. Неужели ребенку придется делать уроки при свече? Или как раз интересный фильм по телевизору, вот бы досмотреть. Все это поправимо, если у вас есть автомобильный аккумулятор. К нему можно собрать устройство, называемое преобразователем постоянного напряжения в переменное (ипи по западной терминологии DC-AC преобразователь).

На рис.1 и 2 показаны две основные схемы таких преобразователей. В схеме на рис.1 используются четыре мощных транзистора VT1...VT4, работающих в ключевом режиме. В одном полупериоде напряжения 50 Гц открыты транзисторы VT1 и VT4. Ток от аккумулятора GB1 протекает через транзистор VT1, первичную обмотку трансформатора T1 (слева направо по схеме) и транзистор VT4. Во втором полупериоде открыты транзисторы VT2 и VT3, ток от аккумулятора GB1 идет через транзистор VT3, первичную обмотку трансформатора TV1 (справа налево по схеме) и транзистор VT2. В результате ток в обмотке трансформатора TV1 получается переменным, и во вторичной обмотке напряжение повышается до 220 6. При использовании 12-вопьтового аккумулятора коэффициент К= 220/12=18,3.

Генератор импульсов с частотой 50 Гц можно построить на транзисторах, логических микросхемах и любой другой элементной базе На рис.1 показан генератор импульсов на интегральном таймере КР1006ВИ1 (микросхема DA1). С выхода DA1 импульсы частотой 50 Гц проходят через два инвертора на транзисторах VT7, VT8. От первого из них импульсы поступают через усилитель тока VT5 на пару VT2, VT3, со второго - через усилитель тока VT6 на пару VT1, VT4. Если в качестве VT1...VT4 использовать транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока ("супербета"), например, типа КТ827Б или мощные полевые транзисторы, например, КП912А, то усилители тока VT5, VT6 можно не ставить.

В схеме на рис.2 используются только два мощных транзистора VT1 и VT2, но зато первичная обмотка трансформатора имеет вдвое больше витков и среднюю точку. Генератор импульсов в этой схеме тот же самый, базы транзисторов VT1 и VT2 подключаются к точкам А и Б схемы генератора импульсов на рис.1.

Время работы преобразователя определяется емкостью аккумулятора и мощностью нагрузки. Если допустить разряд аккумулятора на 80 % (такой разряд допускают свинцовые аккумуляторы), то выражение для времени работы преобразователя имеет вид:

Т(ч) = (0,7WU)/P, где W - емкость аккумулятора, Ач; U - номинальное напряжение аккумулятора, В; Р - мощность нагрузки, Вт. В этом выражении учтен также КПД преобразователя, составляющий 0,85...0,9.

 

 

Тогда, например, при использовании автомобильного аккумулятора емкостью 55 Ач с номинальным напряжением 12 В при нагрузке на лампочку накаливания мощностью 40 Вт время работы составит 10...12 ч, а при нагрузке на телевизионный приемник мощностью 150 Вт 2,5—3ч.

Приведем данные трансформатора Т1 для двух случаев: для максимальной нагрузки 40 Вт и для максимальной нагрузки 150 Вт.

В таблице: S - площадь сечения магнитопровода; W1, W2 - количество витков первичной и вторичной обмоток; D1, D2 - диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.

Можно использовать готовый силовой трансформатор, сетевую обмотку его не трогать, а домотать первичную обмотку. В этом случае после намотки нужно включить в сеть сетевую обмотку и убедиться, что напряжение на первичной обмотке равно 12 В.

Если использовать в качестве мощных транзисторов VT1...VT4 в схеме на рис.1 или VT1, VT2 в схеме на рис.2 КТ819А, то следует помнить следующее. Максимальный рабочий ток этих транзисторов 15 А, поэтому если рассчитывать на мощность преобразователя свыше 150 Вт, то необходимо ставить либо транзисторы с максимальным током свыше 15 А (например, КТ879А), либо включать параллельно по два транзистора. При максимальном рабочем токе 15 А мощность рассеяния на каждом транзисторе составит примерно 5 Вт, тогда как без радиатора максимальная рассеиваемая мощность - 3 Вт. Поэтому на этих транзисторах необходимо ставить небольшие радиаторы в виде металлической пластины площадью 15-20 см.

Выходное напряжение преобразователя имеет форму разнополярных импульсов амплитудой 220 В. Такое напряжение вполне подходит для питания различной радиоаппаратуры, не говоря уже об электрических лампочках. Однако однофазные электромоторы с напряжением такой формы работают плохо. Поэтому включать в такой преобразователь пылесос или магнитофон не стоит. Выход из положения можно найти, намотав на трансформаторе Т1 дополнительную обмотку и нагрузив ее на конденсатор Ср (на рис.2 показан пунктиром). Этот конденсатор выбран такой величины, чтобы образовался контур, настроенный на частоту 50 Гц. При мощности преобразователя 150 Вт емкость такого конденсатора можно вычислить по формуле С = 0,25 / U2, где U -напряжение, образующееся на дополнительной обмотке, например, при U = 100 В, С = 25 мкФ. При этом конденсатор должен работать на переменном напряжении (можно использовать металлобумажные конденсаторы К42У или подобные) и иметь рабочее напряжение не меньше 2U. Такой контур забирает на себя часть мощности преобразователя. Эта часть мощности зависит от добротности конденсатора. Так, для металлобумажных конденсаторов тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,02...0,05, поэтому КПД преобразователя снижается примерно на 2...5%.

Во избежание выхода из строя аккумуляторной батареи преобразователь не мешает оборудовать сигнализатором разряда. Простая схема такого сигнализатора показана на рис.3. Транзистор VT1 является пороговым элементом. Пока напряжение аккумуляторной батареи в норме транзистор VT1 открыт и напряжение на его коллекторе ниже порогового напряжения микросхемы DD1.1, поэтому генератор сигнала звуковой частоты на этой микросхеме не работает. Когда напряжение батареи опускается до критического значения, транзистор VT1 запирается (точка запирания устанавливается переменным резистором R2), начинает работать генератор на микросхеме DD1 и акустический элемент НА1 начинает "пищать". Вместо пьезоэлемента можно применить динамический громкоговоритель малой мощности.

После использования преобразователя аккумулятор необходимо зарядить. Для зарядного устройства можно использовать тот же трансформатор Т1, но количества витков в первичной обмотке недостаточно, так как она рассчитана на 12 В, а нужно, по крайней мере, 17 В. Поэтому при изготовлении трансформатора следует предусмотреть дополнительную обмотку для зарядного устройства. Естественно, при зарядке аккумулятора схему преобразователя необходимо отключить.

В. Д. Панченко, г.Киев

Понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное

    В современной электронной аппаратуре широко используются схемы питания, обеспечивающие преобразование постоянного нестабилизированного напряжения, получаемого от выпрямителя или батареи, в один или несколько уровней стабилизированного напряжения. Одна из возможностей для этого - ключевой преобразователь постоянного напряжения в постоянное (ППНП, DC - DC Converter, DC - DC Regulator). В этой статье описан один из видов специальных микросхем - ключевые понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (Step-Down Switching Regulator, Step-Down DC - DC Converter, Buck Regulator, Step-Down Switch-Mode DC - DC Regulator). При этом используется сокращенное обозначение ПнП.

    Принцип действия. Основная схема ПнП приведена на рис.1а.

 

Рис.1. Основная схема ПнП

В качестве ключа S обычно используется биполярный транзистор структуры NPN, однако в последнее время здесь все чаще ставятся n-канальные МОП-транзисторы. Интервал времени, в течение которого транзистор открыт (ключ замкнут, отрезок ton на рис.1 б, в) и интервал, когда транзистор закрыт ключ разомкнут, отрезок tOFF), определяются схемой управления CON. При замыкании ключа (момент t0 на рис.1б) напряжение в точке соединения диода VD и катушки L равно входному напряжению, u = Vin , диод VD (Catch Diode, Steerin Diode, Free-Wheeling Diode) закрыт, и внешнее напряжение, приложенное к катушке L, равно uL = Vin -Vo, его полярность показана на рис.1 а. Поэтому от источника Vin через S и L течет линейно возрастающий ток

 

благодаря которому в катушке накапливается энергия магнитного поля. За время tON ток iL возрастает на величину

    При размыкании ключа S (момент t1 на рис. 1б) внешнее напряжение исчезает, и катушка начинает расходовать свою энергию. Направление тока iL остается прежним, он продолжает течь через открытый диод VD, нагрузку и конденсатор С. В этом случае (рис.1а) напряжение Vo оказывается приложенным к L (если пренебречь падением напряжения на VD) и задает линейно убывающий ток

    Знак минус в верхнем индексе тока указывает на то, что этот ток течет за счет расходования энергии катушки.

    Чаще всего схема работает в непрерывном режиме (Continuous-Current Mode, Continuous Conduction Mode, CCM), при котором всегда iL>0 (непрерывная линия на рис.1б). Это означает, что только часть накопленной энергии передается нагрузке за время tOFF, в течение которого ток уменьшается на величину

    Исходя из очевидного соотношения

которое имеет место в установившемся режиме работы, получаем зависимость

   (1)

    Отсюда видно, что всегда VIN > Vo, т.е. схема является ПнП. Величину Vo можно задавать через времена tON и tOFF, которые обеспечивает CON. При этом любое нежелательное изменение Vo (например, вследствие изменения Vin) приводит к соответствующему изменению одного из этих времен, так что значение Vo восстанавливается. Следовательно, работу ПнП в качестве стабилизатора обеспечивает CON. Чаще всего CON задает постоянную частоту

управляющих импульсов, а стабилизация обеспечивается путем изменения tON, т.е. коэффициента их заполнения (Duty Factor) delt = tON/T. Это ПнП с широтно-импульсной модуляцией- ШИМ (Pulse-Width Modulation, PWM). При этом выражение (1) можно переписать в виде Vo = delt*Vin. Линейная зависимость Vo от delt является важной особенностью этой схемы. В процессе работы ПнП могут возникать скачки тока iL(например, из-за резкого изменения Vin или сопротивления нагрузки на выходе), который насыщает катушку, пусть даже на небольшое время. А насыщенная катушка является практически коротким замыканием со всеми вытекающими отсюда последствиями, что может повредить схему. Избежать этого можно применением ШИМ тока (ТШИМ, Current-Mode PWM), при которой CON следит за током, текущим через ключ S, для чего используется Rs, показанный на рис.1 а пунктиром.

    Реже используется решение, когда CON поддерживает постоянное значение tOFF, что означает одновременное изменение delt и fo. Это так называемые ПнП с частотно-импульсной модуляцией - ЧИМ (Pulse Frequency Modulation, PFM).

    Ток iL, текущий через катушку, имеет две составляющие. Постоянная составляющая Io представляет собой выходной ток ПнП, тогда как нежелательная переменная составляющая почти целиком проходит через конденсатор С. Оставшаяся малая ее часть идет через нагрузку, а это, в принципе, означает, что выходное напряжение Vo содержит переменную составляющую dVo, форма которой аналогична iL, а частота равна fo. В этом состоит основной недостаток ППНП по сравнению с линейными стабилизаторами, у которых обычно такой составляющей нет. Поэтому ППНП стараются не использовать в аналоговых устройствах, предназначенных для усиления слабых сигналов, или ППНП соединяют с линейным стабилизатором. На практике предпочтение отдают схемам, обеспечивающим dIL = b*Io, при этом b примерно равно 0,4.

    Уменьшение тока Io означает накопление в L и, соответственно, отдачу меньшей энергии в нагрузку. При токе IoMIN = 0,5dIL (он обозначен на рис. 1б пунктиром) накопленная энергия и iL в момент замыкания ключа S становятся равными нулю. Дальнейшее уменьшение Io приводит к накоплению настолько малой энергии, что вся она полностью переходит на нагрузку еще до истечения времени tOFF (момент t2 на рис.1 в). Это означает отсутствие тока iL в интервале t2 - t3, то есть имеет место прерывистый режим работы (Discontinuous-Current Mode, Discontinuous-Conduction Mode, DCM). В течение этого интервала времени постоянный ток нагрузки поддерживает конденсатор С. Обнуление iL означает также прекращение тока через VD и его закрытие. В схеме появляется паразитный колебательный контур, состоящий из L и емкости VD, в котором возникают затухающие колебания (рис.1 в). Однако это не отражается на выходном напряжении ввиду большой емкости С. При необходимости, во избежание возникновения прерывистого режима, на выходе ПнП устанавливается резистор (R на рис.1 а), который обеспечивает IoMIN через L на холостом ходу.

    Схема управления ПнП с ШИМ. Принцип ее действия показан на осциллограмме на рис.2а.

Рис.2. а) Принцип действия схемы управления ПнП с ШИМ; б) Схема CON управления ключом

В схеме имеется генератор OSC линейно изменяющегося напряжения UG, который замыкает ключ S (рис.1) в начале каждого периода. Это напряжение сравнивается с разностью VREF - aVo опорного напряжения VREF (вырабатываемого схемой) и части aVo выходного напряжения (а < 1). Когда UG достигает значения VREF -aVo, ключ S размыкается. При нежелательном возрастании Vo разность VREF - aVo уменьшается вместе с tON, что приводит к уменьшению Vo в соответствии с формулой (1). Аналогично уменьшение Vo вызывает возрастание tON. Упрощенная схема CON управления ключом приведена на рис.2б. Усилитель ошибки ЕА (Error Amplifier) с коэффициентом усиления k имеет на своем выходе напряжение k(VREF - aVo), при этом VREF генерируется источником опорного напряжения REF (Bandgap, Bandgap-Reference). Компаратор СОМР, сравнивающий напряжения UG и k(VREF - aVo), вырабатывает на выходе импульсы UCON управления ключом S.

    Интегральные схемы ПнП. Практически все ИС для ПнП включают в себя схему, приведенную на рис.2б. При этом OSC может иметь фиксированную частоту f0, либо ее значение может задаваться конденсатором Ст или RC-цепочкой (Rт - Ст), подключаемыми в виде внешних элементов к специальному выводу ИС. Увеличение fo означает уменьшение tON и tOFF, что дает возможность получить требуемое значение dIL с помощью индуктивности меньшей величины, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры, массу и стоимость ПнП.

    В подавляющее большинство интегральных схем ПнП встроен ключ S, а также диод VD (за редким исключением). Катушка L и конденсатор С являются внешними элементами. Типичная структура такой ИС для ПнП приведена на рис.3 а вместе с внешними элементами.

Рис.3. а) Структура ИС для ПнП; б) Внешний делитель

Пунктирной линией обозначены выводы, элементы и блоки, используемые лишь в некоторых ИС. Питание всех каскадов ИС обеспечивается встроенным стабилизатором VR (Voltage Regulator). Подключение Vo напрямую ко входу обратной связи FB (обозначается также FEEDBACK или SENSE) приводит к а = 1. Такое соединение используется в ПнП с фиксированным Vo (Fixed Output Voltage), который имеет встроенный делитель RA - RB. При заводской подгонке его сопротивления (обычно только RB) получаются ИС с раз-личными Vo и одинаковыми остальными параметрами. Например, LМ2674-3,3 - для Vо = 3,3 В, LМ2574 - 5,0 - для Vо = 5 В и т.д. Для ПнП с регулируемым Vo (Adjustable Output Voltage) делитель RA - RB в ИС не устанавливается, (RA удаляется, a RB заменяется соединительным проводом, идущим к соответствующему выводу микросхемы). Делитель образуют внешние резисторы (рис.З б). Таким образом, получаем

 

    (2)

где VREF - напряжение встроенного стабилизатора. Для использования этого напряжения в других целях можно применять вывод ЕХТСАР. Между ним и общим проводом ставится конденсатор емкостью около десяти нанофарад, который препятствует проникновению помех в ИС. В некоторых микросхемах во избежание самовозбуждения блока ЕА вывод СОМР соединяется с RC-цепью, номиналы которой указываются в каталоге. Для получения необходимой амплитуды управляющих импульсов для некоторых видов ключей используется буфер BUF.

    Выбор внешних элементов. В каталоге ИС всегда даются подробные советы по выбору внешних элементов (значения, параметры и конструкция). Входные конденсаторы устанавливаются для того, чтобы устранить самовозбуждение. Они должны иметь емкость около сотни микрофарад и подсоединяться к ИС максимально короткими проводами.

    Основные требования к диоду VD - минимальное время переключения и малое напряжение в прямом направлении. Этим требованиям полностью удовлетворяют диоды Шотки (Schottky Diode), особенно для ПнП с низким выходным напряжением. Для стабилизаторов с выходным напряжением более 5...6 В допускается использование "обычных" диодов с очень малым временем восстановления (Fast-Recovery Diode, Ultra Fast-Recovery Diode). Несоблюдение этих требований приводит к увеличению потерь в VD, что вызывает возрастание рассеиваемой ПнП мощности и, соответственно, уменьшение их коэффициента полезного действия (КПД). Диод монтируется точно так же, как Cin.

    Катушка L обладает индуктивностью от нескольких десятков до нескольких сотен микрогенри. Для минимизации нежелательного электромагнитного поля вокруг нее, которое приводит к помехам в работе соседних блоков, катушка обычно снабжена сердечником (чаще всего тороидальной формы). При работе в непрерывном режиме ее индуктивность определяется по формуле

    (3)

    В каталогах часто даются построенные в соответствии с ней номограммы. Некоторые ИС работают только с одним значением индуктивности, указанным в каталоге. Более того, имеются таблицы для подбора готовых катушек, производимых различными фирмами, которые предпочтительны для данных ИС. Важно знать, что L с большей индуктивностью уменьшает dIL и, соответственно, пульсацию выходного напряжения. С другой стороны, маленькая, легкая и дешевая катушка создает условия для работы в прерывистом режиме. Соответственно, помехи возрастают, а КПД уменьшается. Ток насыщения катушки должен быть по меньшей мере в два раза больше тока IoMAX для ПнП.

    Емкость выходного конденсатора составляет

    (4)

и изменяется в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад. В каталогах часто указываются ее предпочтительные значения для соответствующих ИС. Здесь обычно используются алюминиевые или танталовые электролитические конденсаторы. Их рабочее напряжение Vc должно быть больше 1,5Vo, а потери - небольшими, что, в свою очередь, обуславливает уменьшение пульсаций выходного напряжения. Эти потери оцениваются через активное сопротивление последовательной эквивалентной схемы ESR (Equivalent Serie Resistance) конденсатора, которое не должно превышать несколько десятков ом. Выходной конденсатор также монтируется максимально близко к ИС.

Источники

  1. Радио, Телевизия, Електроника, 6/99. Перевод В.Стасюка.

Автор: С.КУЦАРОВ

Преобразователь постоянного тока в постоянный - DC-to-DC converter

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток представляет собой электронную схему или электромеханическое устройство , которое преобразует источник постоянного тока (DC) от одного напряжения уровня к другому. Это разновидность преобразователя электроэнергии . Уровни мощности варьируются от очень низкого (маленькие батареи) до очень высокого (передача энергии высокого напряжения).

История

До развития силовых полупроводников и связанных с ними технологий одним из способов преобразования напряжения источника постоянного тока в более высокое напряжение для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора , за которым следовали повышающий трансформатор и выпрямитель . Для большей мощности использовался электродвигатель для управления генератором желаемого напряжения (иногда объединенный в единый «динамоторный» блок, двигатель и генератор объединены в один блок, причем одна обмотка приводила в движение двигатель, а другая генерировала выходное напряжение). . Это были относительно неэффективные и дорогостоящие процедуры, которые использовались только тогда, когда не было альтернативы, например, для питания автомобильного радиоприемника (в котором тогда использовались термоэмиссионные клапаны / лампы, требующие гораздо более высокого напряжения, чем от автомобильного аккумулятора 6 или 12 В). Внедрение силовых полупроводников и интегральных схем сделало экономически целесообразным использование методов, описанных ниже, например, для преобразования источника питания постоянного тока в высокочастотный переменный ток, использования трансформатора - небольшого, легкого и дешевого из-за высокой частоты - для измените напряжение и верните его обратно на постоянный ток. Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высокого напряжения, некоторые радиолюбители продолжали использовать источники вибраторов и динаматоры для мобильных трансиверов, требующих высокого напряжения, хотя транзисторные источники питания были доступны.

Хотя можно было получить более низкое напряжение из более высокого с помощью линейной электронной схемы или даже резистора, эти методы рассеивали избыток в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с помощью полупроводниковых импульсных схем.

Использует

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры , которые питаются в основном от батарей . Такие электронные устройства часто содержат несколько суб- схем , каждый со своим собственным уровнем напряжения требования отличным от того , запитывается от аккумулятора или от внешнего источника (иногда выше или ниже , чем напряжение питания). Кроме того, напряжение аккумулятора снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают способ увеличения напряжения при частично пониженном напряжении батареи, тем самым экономя место, вместо того, чтобы использовать несколько батарей для достижения одной и той же цели.

Большинство схем преобразователя постоянного тока в постоянный также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают в себя высокоэффективные источники питания для светодиодов , которые представляют собой своего рода преобразователь постоянного тока в постоянный, который регулирует ток через светодиоды, и простые насосы заряда, которые удваивают или утраивают выходное напряжение.

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток, разработанные для максимального увеличения сбора энергии для фотоэлектрических систем и ветряных турбин , называются оптимизаторами мощности .

Трансформаторы, используемые для преобразования напряжения при частотах сети 50–60 Гц, должны быть большими и тяжелыми для мощности, превышающей несколько ватт. Это делает их дорогими, и они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, в которых используются трансформаторы или катушки индуктивности, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, легких и дешевых компонентов с обмоткой. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительно преобразовывать сетевое напряжение в постоянный ток, использовать импульсные методы для преобразования его в высокочастотный переменный ток при желаемом напряжении, а затем, как правило, выпрямлять его в постоянный ток. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности.

Электронное преобразование

Практические электронные преобразователи используют методы переключения. Преобразователи постоянного тока в постоянный с переключенным режимом преобразуют один уровень постоянного напряжения в другой, который может быть выше или ниже, путем временного сохранения входной энергии и последующего выделения этой энергии на выход с другим напряжением. Хранение может быть либо в компонентах хранения магнитного поля (индукторы, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Коммутационное преобразование часто более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, которое рассеивает нежелательную мощность в виде тепла. Для повышения эффективности требуется быстрое время нарастания и спада полупроводникового устройства; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схем. Более высокий КПД импульсного преобразователя снижает потребность в теплоотводе и увеличивает срок службы аккумуляторной батареи портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов благодаря использованию силовых полевых транзисторов , которые могут переключаться более эффективно с меньшими коммутационными потерями на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы , и используют менее сложную схему управления. Другим важным усовершенствованием в преобразователях DC-DC заменяет шунтирующий диод с помощью синхронного выпрямления с использованием источника полевого транзистора, у которого «на сопротивление» значительно ниже, что снижает потери на переключение. До широкого распространения силовых полупроводников маломощные синхронные преобразователи постоянного тока в постоянный ток состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий вакуумную лампу, полупроводниковый выпрямитель или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.

Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный предназначены для перемещения мощности только в одном направлении, от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных регуляторов могут быть двунаправленными и иметь возможность перемещать мощность в любом направлении путем замены всех диодов на независимо управляемое активное выпрямление . Двунаправленный конвертер является полезным, например, в применениях , требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где власть поставляется с колес во время движения, но поставляемых с колес при торможении.

Несмотря на то, что для них требуется несколько компонентов, переключающие преобразователи сложны в электронном виде. Как и все высокочастотные цепи, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и поддержания коммутируемого шума ( EMI / RFI ) на приемлемом уровне. Их стоимость выше, чем у линейных регуляторов в устройствах с понижением напряжения, но их стоимость снижается с развитием дизайна микросхем.

Преобразователи постоянного тока в постоянный доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих нескольких дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных гибридных схемных модулей, готовых к использованию в электронном узле.

Линейные регуляторы, которые используются для вывода стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входа путем рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла , могут быть описаны буквально как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это необычно. использование. (То же самое можно сказать и о простом резисторе с понижением напряжения , независимо от того, стабилизирован он или нет с помощью следующего регулятора напряжения или стабилитрона .)

Существуют также простые емкостные удвоители напряжения и схемы умножителей Диксона, использующие диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целочисленное значение, обычно обеспечивающих лишь небольшой ток.

Магнитный

В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается и выделяется из магнитного поля в катушке индуктивности или трансформаторе , обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения / выключения), количество мощности, передаваемой на нагрузку, можно более легко контролировать, хотя это управление также может применяться к входному току, выходной ток или для поддержания постоянной мощности. Преобразователи на базе трансформатора могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин преобразователь постоянного тока в постоянный относится к одному из этих переключающих преобразователей. Эти схемы являются сердцем импульсного источника питания . Существует множество топологий. В этой таблице показаны наиболее распространенные.

Вперед (энергия передается через магнитное поле) Обратный ход (энергия сохраняется в магнитном поле)
Без трансформатора (неизолированный)
  • Неинвертирующий: выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное.
  • Инвертирование: выходное напряжение имеет полярность, противоположную входной.
  • Split-pi (повышающий-понижающий) - позволяет двунаправленное преобразование напряжения с выходным напряжением той же полярности, что и входное, и может быть ниже или выше.
С трансформатором (изолируемый)

Кроме того, каждая топология может быть:

Жесткое переключение
Транзисторы переключаются быстро при воздействии как полного напряжения, так и полного тока
Резонансный
Контур LC формирует напряжение на транзистор и ток через него , так что транзистор переключается , когда либо напряжение или ток равен нулю

Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный ток могут работать в двух режимах в зависимости от силы тока в его основном магнитном компоненте (индукторе или трансформаторе):

Непрерывный
Ток колеблется, но никогда не опускается до нуля
Прерывистый
Ток колеблется во время цикла, снижаясь до нуля в конце каждого цикла или до него.

Преобразователь может быть разработан для работы в непрерывном режиме при высокой мощности и в прерывистом режиме при низкой мощности.

Полумостовые и Flyback топологии подобны в той энергии , запасенной в магнитном сердечнике потребности , чтобы быть устранено таким образом , что ядро не насыщается. Передача энергии в схеме обратного хода ограничена количеством энергии, которое может храниться в сердечнике, в то время как прямые схемы обычно ограничиваются ВАХ переключателей.

Хотя переключатели MOSFET могут выдерживать одновременный полный ток и напряжение (хотя тепловая нагрузка и электромиграция могут сократить время наработки на отказ ), биполярные переключатели, как правило, не могут требовать использования демпфера (или двух).

В сильноточных системах часто используются многофазные преобразователи, также называемые преобразователями с чередованием. Многофазные регуляторы могут иметь лучшую пульсацию и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы.

Многие материнские платы для ноутбуков и настольных ПК имеют чередующиеся понижающие стабилизаторы, иногда в качестве модуля регулятора напряжения .

Емкостный

Преобразователи с переключаемыми конденсаторами основаны на попеременном подключении конденсаторов ко входу и выходу в различных топологиях. Например, понижающий преобразователь с переключаемыми конденсаторами может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это обеспечит такую ​​же выходную мощность (меньше потерь из-за КПД ниже 100%), в идеале, при половинном входном напряжении и удвоенном токе. Поскольку они работают с дискретными количествами заряда, их также иногда называют преобразователями с накачкой заряда . Обычно они используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, поскольку при более высоких токах повышенная эффективность и меньшие размеры импульсных преобразователей делают их лучшим выбором. Они также используются при очень высоких напряжениях, поскольку при таких напряжениях магнитные поля могут выйти из строя.

Электромеханическое преобразование

Мотор-генератор с отдельным мотором и генератором.

Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из электродвигателя и генератора, соединенных вместе. Мотор - генератор сочетает в себе обе функции в единое целое с катушками , как для двигателя и функции генератора наматывают вокруг одного ротора; обе катушки используют одни и те же катушки внешнего поля или магниты. Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, когда катушки генератора выходят на другой коммутатор на другом конце вала. Весь узел ротора и вала меньше по размеру, чем пара машин, и может не иметь открытых приводных валов.

Мотор-генераторы могут преобразовывать любое сочетание постоянного и переменного напряжения и фаз. Большие мотор-генераторные установки широко использовались для преобразования промышленных объемов энергии, в то время как меньшие блоки использовались для преобразования энергии батареи (6, 12 или 24 В постоянного тока) в высокое постоянное напряжение, которое требовалось для работы оборудования с вакуумной трубкой (термоэмиссионным клапаном). .

Для более низких требований к мощности при более высоком напряжении, чем от автомобильного аккумулятора, использовались источники питания вибратора или «зуммера». Вибратор совершал механические колебания с контактами, которые переключали полярность батареи много раз в секунду, эффективно преобразовывая постоянный ток в прямоугольный переменный ток, который затем можно было подавать на трансформатор с требуемым выходным напряжением (ями). Он издал характерный жужжащий звук.

Электрохимическое преобразование

Еще одно средство преобразования постоянного тока в постоянный ток в диапазоне киловатт в мегаватты представлено использованием проточных окислительно-восстановительных батарей, таких как ванадиевые окислительно-восстановительные батареи .

Хаотическое поведение

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток подвержены различным типам хаотической динамики, таким как бифуркация , кризис и прерывистость .

Терминология

Шаг вниз
Преобразователь, у которого выходное напряжение ниже входного (например, понижающий преобразователь ).
Повышение
Преобразователь, который выводит напряжение выше входного (например, повышающий преобразователь ).
Режим постоянного тока
Ток и, следовательно, магнитное поле в индуктивном накопителе энергии никогда не достигают нуля.
Режим прерывистого тока
Ток и, следовательно, магнитное поле в индуктивном накопителе энергии могут достигать или пересекать ноль.
Шум
Нежелательные электрические и электромагнитные помехи сигнала , обычно артефакты переключения.
RF шум
Импульсные преобразователи по своей природе излучают радиоволны на частоте переключения и ее гармониках. Импульсные преобразователи, которые производят треугольный коммутируемый ток, такие как Split-Pi , прямой преобразователь или преобразователь Ćuk в режиме постоянного тока, производят меньше гармонических шумов, чем другие переключающие преобразователи. Радиочастотный шум вызывает электромагнитные помехи (EMI). Приемлемые уровни зависят от требований, например, близость к РЧ-схемам требует большего подавления, чем просто соблюдение нормативных требований.
Входной шум
Входное напряжение может иметь заметный шум. Кроме того, если преобразователь нагружает вход с резкими краями нагрузки, преобразователь может излучать ВЧ-шум от питающих линий электропередач. Этого следует избежать с помощью надлежащей фильтрации на входном каскаде преобразователя.
Выходной шум
Выход идеального преобразователя постоянного тока в постоянный - это плоское постоянное выходное напряжение. Однако настоящие преобразователи создают на выходе постоянный ток, на который накладывается некоторый уровень электрического шума. Преобразователи переключения создают шум переключения на частоте переключения и ее гармониках. Кроме того, все электронные схемы имеют некоторый тепловой шум . Для некоторых чувствительных радиочастотных и аналоговых схем требуется источник питания с настолько низким уровнем шума, что его может обеспечить только линейный регулятор. Некоторые аналоговые схемы, которым требуется источник питания с относительно низким уровнем шума, могут допускать использование некоторых менее шумных переключающих преобразователей, например, использующих непрерывные треугольные формы волны, а не прямоугольные.

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки

Преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В

   Бывают случаи когда возникает необходимость подключить бытовые приборы, питающиеся от сети 220 В, там, где она не доступна – на рыбалке, загородном отдыхе на природе или просто там где сеть в данном случае отсутствует.
   В данной статье приводится схема простого преобразователя напряжения из 12 вольт в 220 вольт 50 герц. Мощность не более 100 Вт. Данный преобразователь годится для питания различной бытовой аппаратуры соответствующей мощности.

     Принципиальная схема устройства приведена на Рис.1
     Постоянное напряжение от аккумулятора через предохранитель FU1 поступает на параметрический стабилизатор на VD1, R1, C1, C7. Здесь происходит понижение напряжения примерно до 9 вольт, а также осуществляется фильтрация. Стабилизированное напряжение поступает на микросхему D1, на которой выполнен генератор и индикатор разряда батареи ( ИРБ ). На триггере D1.2 выполнен непосредственно сам генератор. Он представляет собой симметричный мультивибратор на RS-триггере, вырабатывающий симметричные прямоугольные импульсы с частотой 50 – 60 Гц. Частота этих колебаний зависит от номиналов конденсаторов С5, С6 и резисторов R6, R7. Эти импульсы поступают на ключи, выполненные на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы R4, R5 и конденсаторы С2, С3 служат для облегчения работы транзисторов. С коллекторов транзисторов напряжение поступает на силовой трансформатор Т1, повышающий напряжение до необходимого значения ( 220 вольт ).
   Конденсатор С4 служит для фильтрации напряжения на выходе и придании ему формы, похожую на синус. ИРБ собран на элементе D1.1. Работает он следующим образом:
   При полностью заряженной батарее на D-входе триггера напряжение выше порога переключения, на инверсном выходе нет напряжения, поэтому светодиод HL1 не горит. Как только напряжение на батареи окажется ниже допустимого, этот триггер по фронту импульса генератора на входе С переключится в нулевое состояние и загорится светодиод HL1, сигнализируя о недопустимом режиме работы батареи.
Детали. Резистор R1 – МЛТ-0,5, R2- любой подстроечный, остальные – любые мощностью 0,125 Вт. Конденсаторы: С1 – любой электролитический с указанными параметрами, С2, С3, С7 – керамические, С5, С6 – с возможно меньшим ТКЕ. Диоды любые аналогичные, а стабилитрон любой другой с напряжением стабилизации 8…9 В или интегральный стабилизатор с соответствующим напряжением, например КР142ЕН8А ( радиатор не требуется ). Транзисторы любые из серии КТ827 с возможно большим коэффициентом передачи тока базы, их необходимо установить на радиаторы площадью не менее 300 см2. Светодиод – любой видимого спектра излучения. Трансформатор – любой сетевой с напряжением вторичной обмотки 2х11 В и мощностью не менее 100 Вт. Его первичную обмотку используют как вторичную, а вторичную соответственно как первичную.
   Налаживание. Временно отсоедините средний вывод трансформатора от плюса питания и, посмотрите осциллографом частоту и амплитуду импульсов на базах транзисторов. Амплитуда должна быть около двух вольт, а частота около 50 Гц. Если необходимо скорректировать частоту изменяют попарно ёмкость конденсаторов С5 и С6 и номиналы резисторов R6 и R7. ИРБ настраивают понизив напряжение источника питания до 10…10,5 В. Резистором R2 добиваются непрерывного свечения светодиода. Далее установите номинальное напряжение равное 12,6 …14,4 В и подключите средний вывод трансформатора. Подключите к выходу преобразователя нагрузку мощностью 100 Вт., например лампочку накаливания. Напряжение на нагрузке не должно быть меньше 210 вольт, в противном случае уменьшают количество витков в первичной обмотке трансформатора и снова проверяют напряжение на выходе под нагрузкой. Данный преобразователь потребляет ток при максимальной нагрузке около 9…10 А, а на холостом ходу не более 1 А.

источник: ” РАДИОКОНСТРУКТОР “, 05 – 2007, стр. 30-31

Похожее

Преобразователь постоянного тока

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный? > | Основы электроники

Как следует из названия, преобразователь постоянного тока преобразует одно постоянное напряжение в другое.

Рабочее напряжение различных электронных устройств, таких как микросхемы, может варьироваться в широком диапазоне, поэтому необходимо обеспечивать напряжение для каждого устройства.

Понижающий преобразователь выдает более низкое напряжение, чем исходное напряжение, а повышающий преобразователь обеспечивает более высокое напряжение.

Линейные или импульсные регуляторы

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток

также называют линейными или импульсными регуляторами, в зависимости от метода, используемого для преобразования.

Устройство для преобразования на более низкое напряжение
Понижающий или понижающий преобразователь
Устройство для преобразования на более высокое напряжение
Повышающий или повышающий преобразователь
Устройство, способное преобразовывать в более высокое или более низкое напряжение
Повышающий понижающий преобразователь
Устройство для подачи отрицательного напряжения
Отрицательное напряжение или инвертирующий преобразователь

AC против

постоянного тока

Что такое AC?

Сокращение от «Переменный ток», переменный ток - это ток, величина и полярность (ориентация) которого изменяется со временем.

Часто выражается в герцах (Гц), единице частоты в системе СИ, которая представляет собой количество колебаний в секунду.

Что такое DC?

DC, что означает постоянный ток, характеризуется током, полярность которого не меняется с течением времени.

Однако есть небольшие изменения величины, которые также являются постоянным током, называемым током пульсации.

Управление питанием / Блок питания IC Страница группы продуктов Преобразователь постоянного тока в постоянный ток

(с переключением регулятора) на страницу продукта

Линейка преобразователей постоянного тока в постоянный ток

ROHM состоит из множества продуктов.В преобразователях постоянного тока Buck используется высокоэффективная конструкция, идеально подходящая для шин с входным напряжением. Предусмотрен ряд функций, включая управление текущим режимом, фиксированное время включения и управление h4Reg TM , что обеспечивает совместимость с различными требованиями. ROHM предлагает ведущие в отрасли преобразователи постоянного тока в постоянный и оценочные платы, которые позволяют клиентам разрабатывать и дифференцировать свои схемы питания. Мы даем четкое объяснение выбора идеального преобразователя постоянного тока в постоянный из нашего широкого ассортимента.

.Преобразователи постоянного тока в постоянный ток

- мощные трансформаторы для всех отраслей промышленности

Добавьте к этому уникальную высокую долговечность и способность выдерживать механические нагрузки, и вы получите незаменимый инструмент, который обязательно найдет свое применение в самых разных отраслях, таких как авиация, горнодобывающая промышленность или даже в визуальной рекламе . Конвертеры предлагают конфигурации как для узкого (12, 24, 27 и 48), так и для широкого (12 Вт, 24 Вт, 27 Вт) диапазонов входного сигнала.

Хотя некоторые из них допускают работу с естественным конвекционным охлаждением, упор сделан на их внедрение в систему с кондуктивным охлаждением.Конвертеры сконструированы таким образом, чтобы передавать более 90% тепловых потерь на одну охлаждающую поверхность (верхняя сторона корпуса). Это означает использование радиатора или охлаждающей пластины, которые будут использоваться с блоками, для обеспечения принудительного воздушного или жидкостного охлаждения. Такая особенность делает преобразователи подходящими для систем, в которых внешнее охлаждение или передача горячего воздуха наружу чрезвычайно трудно или невозможно.

Надежное решение практически для любой отрасли. На наши преобразователи можно положиться даже на большой высоте и при экстремальных температурах.Купите себе такой, и вы не будете разочарованы.

Начните выбирать

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный?

Проще говоря, преобразователь постоянного тока в постоянный - это устройство, целью которого является регулирование напряжения от источника к нагрузке путем его уменьшения или увеличения. Это схема преобразования мощности, в которой используется высокочастотное переключение на основе комбинации конденсаторов, силовых транзисторов, трансформаторов, катушек индуктивности и других аналоговых электронных компонентов для создания постоянного выходного напряжения - даже когда входное напряжение или выходной ток быстро меняются.

Преобразователи этого типа значительно улучшают эффективность по сравнению с линейными регуляторами и могут найти свое применение в самых разных областях и в некоторых из самых экстремальных условий. Подумайте об их использовании - и не забудьте взглянуть на остальные наши продукты.

Хотя гальваническая развязка может присутствовать или отсутствовать в преобразователе постоянного / постоянного тока, все наши продукты обеспечивают гальваническую развязку между входом и выходом. Изолированные преобразователи мощности являются стандартом в современном мире надежной и безопасной подачи энергии.

Какие преобразователи мощности DC-DC мы предлагаем?

Краткий перечень наших продуктов и их функций можно найти в нашем Руководстве по выбору.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток TESND 10–1200 Вт с прочным корпусом и монтажными фланцами

  • Подходит для сети постоянного тока, характерной для децентрализованных систем электропитания с использованием батарей.
  • Одноканальные преобразователи TESND используют выходное синхронное выпрямление в моделях с выходным напряжением до 27 В постоянного тока для повышения эффективности.
  • Доступные сервисные функции включают регулировку выходного напряжения, внешнюю обратную связь, дистанционное включение / выключение и параллельное распределение тока (в зависимости от модели). С комплексом защит.
  • Двухканальная версия предлагает различные подключения выходных каналов, в т.ч. независимые, параллельные, последовательно соединенные и двойные выходы с общей землей.
  • Компактные размеры и высокая эффективность, возможность заказывать низкопрофильные модели (уменьшение высоты до 20%) и экстремальный диапазон рабочих температур от -60 до +130 ° C
  • Чрезвычайно высокая удельная мощность, от 54 до 142 Вт / дюйм 4.

Устройства, принадлежащие к серии TESND, - это TESND 20, 40, 60, 120, 250, 600 и 1200, где числа относятся к максимальной выходной мощности в ваттах.

JETDiR Преобразователь постоянного тока в постоянный ток 20–600 Вт в форм-факторе BRICK с утопленными монтажными отверстиями и без фланцев

  • Серия JETDiR предлагает различные форм-факторы по сравнению с TESND, с утопленными монтажными отверстиями внутри корпуса.
  • Широкий спектр сервисных функций, при этом модели с более высокой мощностью могут работать в параллельном режиме с разделением тока.Защита от перегрева, перегрузки, перенапряжения.
  • Как и TESND, блоки имеют компактные габариты и удельную мощность от 49 до 106 Вт / дюйм4, с рядом сервисных функций.

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток JETDiR выпускаются в версиях мощностью 20, 30, 60, 120, 250 и 600 Вт.

JETDiR считаются одними из самых универсальных преобразователей, применимых практически во всех областях и способных работать в суровых условиях, включая температуры от -60 до + 130 ° C! Вы можете положиться на него!

Приобретите один из этих преобразователей

Преобразователь напряжения TESD 10 - 1200 Вт, прочный корпус с фланцами, без оптронной связи

  • Модернизированная версия предыдущих серий TESD, MR и MDM с использованием обратной связи без оптронной связи, подходящая для работы в ионизирующем режиме -факторные среды.
  • Они сохраняют те же размеры и расположение выводов, что и предыдущие поколения.
  • Агрегаты имеют защиту от перегрева, перегрузки и перенапряжения.
  • Двухканальные устройства TESD имеют гальваническую развязку выходов, что делает их полезными в оборудовании с различными подключениями выходных каналов.

Преобразователи TESD доступны мощностью 15, 25, 50, 100, 200, 300, 600 и даже 1200 Вт.

Устройства серии TESD представлены в очень компактных вариантах с плотностью мощности от 31 до 70 Вт / дюйм4.Чрезвычайно прочные и способные выдерживать большое количество механических нагрузок, эти устройства обязательно найдут свое применение во многих областях, будь то наземный транспорт, самолеты, дроны, вертолеты и многое другое.

Они представляют собой легкое обновление по сравнению с предыдущими версиями, предлагая более высокую выходную мощность и плотность без необходимости замены или модификации всей системы питания.

JETDi (JETDiB) Модули преобразователей постоянного тока в варианты 20-120 Вт, в медных корпусах без монтажных отверстий

  • Промышленные преобразователи постоянного тока в постоянный ток серий JETDi и JETDiB разработаны в популярных форм-факторах без монтажа отверстия для простой реализации в энергосистемах.
  • Доступен в вариантах LP (низкопрофильный) с уменьшением высоты на 10-20%.
  • Серия JETDiB оптимизирована по стоимости и характеристикам.

Варианты мощности серии JETDi - 20, 30, 60 и 120 Вт.

Компактные размеры, высокая эффективность, простой монтаж, с удельной мощностью от 49 до 83 Вт / дюйм4, безусловно, должны побудить вас рассмотреть возможность использования этих DC to DC трансформаторы в вашей отрасли.

Преобразователи TESAV (TESH) мощностью 50–1000 Вт с входом переменного и / или высокого напряжения постоянного тока

  • Эти устройства выпускаются в вариантах переменного (TESAV) и постоянного тока (TESH) с низкопрофильным фланцем.
  • Устройства предназначены для использования с внешним конденсатором большой емкости, который определяет время работы модулей и позволяет легко настроить систему ИБП (источника бесперебойного питания).
  • Блоки TESAV предназначены для использования с диапазонами входного переменного тока 36, 115 и 230, в то время как варианты TESH должны использоваться с диапазонами входного постоянного тока 48, 115, 150 и 230 Вт.
  • Выходное синхронное выпрямление обеспечивает эффективность до 93%.
  • Двухканальные варианты с гальванической развязкой выходов позволяют использовать несколько схем подключения выходных каналов.
  • Некоторые модели могут работать в параллельном режиме с разделением тока.

Преобразователи TESAV имеют отдельный вход переменного напряжения, который подается на внутренний мостовой выпрямитель, выход которого подключается к фазе внутреннего преобразователя постоянного тока постоянного тока, который действует как вход постоянного тока для всего блока. Внешний электролитический конденсатор используется для фильтрации выпрямленного напряжения с этого входа постоянного тока и для установки времени задержки.

Размещение внешнего конденсатора в низкотемпературных частях оборудования позволяет остальной части устройства работать при значительно более высоких температурах.Такое расположение приводит к увеличению срока службы и среднего времени безотказной работы всей системы.

В вариантах TESH удален вход переменного тока и внутренний мостовой выпрямитель, остался только вход постоянного тока, что обеспечивает эффективную работу в диапазоне входного низкого напряжения.

Предлагаются варианты мощностью 100, 200, 500 и 1000 Вт. Так же, как и для остальных наших продуктов, мы рекомендуем выбирать коэффициент загрузки 0,7-0,8.

Эти преобразователи имеют компактную плоскую конструкцию с удельной мощностью от 32 до 55 Вт / дюйм4.Как и остальные наши продукты, они отличаются высокой прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям.

Высота над уровнем моря более 15 км, полярная среда или пустыня - преобразователи TESAV вас нигде не разочаруют. Их потенциальные применения бесчисленны. Убедитесь сами!

Я хочу один из этих

Где можно задействовать некоторые (или все) наши модули преобразователя постоянного тока в постоянный?

  1. Высота над уровнем моря более 15 км, где необходимо учитывать такие факторы, как вибрации, ускоряющие удары, пыль, низкое давление, естественное излучение, а также чрезвычайно низкие и высокие температуры корпуса преобразователя.Агрегаты должны быть защищены от влаги, иметь меньшие размеры и более низкий профиль. Правильное охлаждение также является обязательным. Может использоваться в самолетах, БПЛА, воздушных лабораториях и т. Д.
  2. На больших высотах от 5 до 15 км. Эти устройства могут найти свое применение в самолетах, беспилотных летательных аппаратах, метеозондах, оборудовании для мониторинга и т. Д. Требования к устройствам во многом схожи с требованиями для больших высот. Они должны выдерживать экстремальные температуры, резкое ускорение, влажность и низкое давление, быть небольшими и компактными, а также хорошо охлаждаемыми.
  3. На малых высотах до 5 км. Влага, пыль, песок, низкое давление - эти условия сохраняются даже на несколько меньших высотах. Хотя температуры могут быть менее экстремальными, чем на больших высотах, все же необходимо иметь дело с температурами корпуса преобразователя в диапазоне от -50 ° C до +100 ° C. Аппараты могут найти свое применение в самолетах, вертолетах, воздушных шарах, дронах и т. Д.
  4. Наземный транспорт. От автомобилей до локомотивов и других наземных транспортных средств. Вибрации, резкое ускорение, пыль, песок, влага и даже воздействие соли - силовые агрегаты должны выдерживать все это, помимо температуры корпуса от -50 ° C до +130 ° C.
  5. Наземная телефонная связь. Связующие вышки, наземные узлы связи и сооружения надежно защищены от внешних факторов. Необходимо учитывать малые удары и вибрации, конденсацию влаги, соленый туман и погодные факторы. От этого агрегаты должны быть защищены полимерными слоями или специальными конструкциями. Требуется низкий профиль, компактные размеры и охлаждение через нижнюю часть корпуса.
  6. Горное оборудование. Устройство должно работать в любом климате, выдерживать удары, вибрацию, механические воздействия и температуру корпуса, которая может достигать +150 ° C.
  7. Суперкомпьютеры, экраны и информационные дисплеи обычно защищены от внешних повреждений или погодных воздействий. В преобразователях здесь главное - это высокий КПД, параллельная работа и правильное охлаждение.
  8. Хладостойкое оборудование. Независимо от того, используются ли они в стационарных или движущихся устройствах, наши корпуса при надлежащем уходе могут без проблем работать в полярных условиях.
  9. Оборудование жаростойкое. Другая крайность - это палящая пустыня, и наши устройства тоже способны сиять в ней.Само собой разумеется, стойкость к экстремальным температурам, механическим нагрузкам и вибрациям в зависимости от фактического использования.
  10. Цифровые вывески. Уличные знаки и визуальная реклама - это также область, в которой наши подразделения могут найти хорошее применение. Типичные требования к конвертерам в этой области включают плоскую конструкцию, высокую эффективность, малый вес и профиль, а также твердое охлаждение.
  11. Активная РЛС с фазированной антенной решеткой. Это устройство использует несколько коммуникационных блоков для подачи питания на него. Эти радары, работающие в составе различного наземного и воздушного оборудования, требуют легких и небольших блоков питания с легким профилем, высокой эффективности и возможности параллельной работы.Наши преобразователи - это именно те единицы измерения.

Не стесняйтесь спрашивать нас, какой из наших продуктов больше всего подходит для вашего конкретного проекта. Мы с радостью поможем вам сделать правильный выбор.

Помогите выбрать

.Преобразователи постоянного тока в постоянный

I [Analog Devices Wiki]

Цель:

Целью этой деятельности является исследование схемы на основе индуктора, которая может производить выходное напряжение, превышающее подаваемое. Этот класс схем называется преобразователями постоянного тока в постоянный или повышающими регуляторами.

Базовая информация:

Когда ток, протекающий в катушке индуктивности, быстро прерывается, на катушке индуктивности наблюдается большой скачок напряжения.Этот большой скачок напряжения действительно может быть полезен в некоторых случаях. Одним из примеров является повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный, который представляет собой схему, которая может создавать большее постоянное напряжение из меньшего с очень высоким КПД. Основная идея состоит в том, чтобы объединить генератор индуктивных всплесков со схемой выпрямителя, как показано на рисунке 1. Когда транзистор резко выключается, напряжение на стоке резко возрастает, диод D 1 смещается в прямом направлении, и ток будет течь от индуктор для зарядки накопительного конденсатора большой емкости C 2 .Когда напряжение стока впоследствии падает ниже напряжения на конденсаторе, диод смещается в обратном направлении, а выходное напряжение остается постоянным. Как и в главе, посвященной источникам питания переменного тока, выходной конденсатор должен иметь соответствующие размеры, чтобы минимизировать пульсации, связанные с током, протекающим в нагрузке. Мы просто будем использовать здесь небольшой конденсатор, и схема не сможет обеспечить большой выходной ток.

Материалы:

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки
Перемычки
1 - ОУ AD8541 CMOS с однополярным питанием, используемый в качестве компаратора (или компаратора AD8561)
1 - 74HC00 quad CMOS NAND gate (или CD4007 см. Приложение)
1 - ZVN2110A NMOS Полевой транзистор (2N7000 или силовой полевой транзистор, например IRF510)
Резистор 1 - 20 кОм
Резистор 1 - 10 кОм
1 - индуктор 1 мГн
1 - Конденсатор 47 мкФ
1 - Конденсатор 220 мкФ
2 - выпрямительные диоды (1N4001, 1N3064 )

Дополнительное оборудование:

Маленький портативный цифровой мультиметр
+5 В Настольный блок питания или батарейный отсек для 3 элементов AA для обеспечения +4.5В

Простой индуктор и переключатель DC / DC Converter:

Постройте схему, показанную на рисунке 1, на своей беспаечной макетной плате. Обратите внимание, что в этом преобразователе постоянного тока в постоянный на основе катушки индуктивности необходимые всплески тока могут превысить пределы встроенного источника питания +5 В ADALM2000 и вызвать его отключение. Вы должны использовать автономный настольный блок питания или батареи. Вы можете использовать 1N4001 или 1N3064 для выпрямительного диода. Начните с сопротивления нагрузки 100 кОм и частоты переключения 10 кГц , которую может обеспечить AWG1.Какое напряжение постоянного тока на «усиленном» выходе? Запишите значение для лабораторного отчета.

Рисунок 1 Простой преобразователь постоянного тока в постоянный

Теперь увеличиваем частоту до 50 кГц . Измерьте и снова запишите выходное напряжение. Объясните, почему это изменилось? Одно из наших преимуществ состоит в том, что мы можем контролировать период времени между пиками сигнала, поступающего в выпрямитель; в лаборатории источников питания мы застряли с источником 60 Гц.

Затем уменьшите сопротивление нагрузки до 10 кОм и снова измерьте и запишите выходное напряжение.

Очевидно, что если нам нужно постоянное выходное напряжение, необходимо какое-то активное регулирование, чтобы поддерживать постоянным напряжение при изменении сопротивления нагрузки. Также неплохим дополнением будет большая выходная емкость для фильтрации пульсаций. Есть несколько простых способов реализовать активное регулирование, и, действительно, есть ряд других интересных конструктивных особенностей повышающих преобразователей постоянного тока, о которых вы можете прочитать, если вам интересно, но наша цель здесь - просто проиллюстрировать концепцию. , поэтому схема, показанная на рисунке 1, не является оптимальной в практическом смысле.При более тщательном проектировании повышающие преобразователи могут выдавать гораздо больший выходной ток при очень высокой эффективности преобразования (очень мало потраченной впустую мощности). Обратите внимание, что преобразователю постоянного тока в постоянный требуется генератор прямоугольных импульсов для управления им. Обычно этот генератор прямоугольных сигналов является частью схемы и также питается от входного источника, так что схема преобразования является автономной. Мы обсудим конструкцию осцилляторов в конце лабораторной работы в качестве дополнительных упражнений.

Направление:

Соединения макетной платы для регулируемой версии показаны на рисунке 2.Цифровой мультиметр должен быть подключен для измерения напряжения на В OUT . Стендовый источник питания + 5V должен быть подключен к узлу V IN . Выход генератора сигналов произвольной формы, служащий опорным напряжением постоянного тока, управляет положительным входом компаратора на контакте 3. Выход цифрового тактового сигнала управляет вторым входом первого логического элемента NAND на контакте 2. Вход осциллографа 2+ ( несимметричный) подключен к выходу компаратора на выводе 6. Диод D 2 не требуется, если используется силовой полевой транзистор, такой как IRF510, потому что такие устройства имеют встроенный диод.

Рисунок 2 Регулируемый повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный

Настройка оборудования:

Генератор сигналов должен быть настроен на постоянный выход постоянного тока 2,5 В. Выход цифровых часов должен быть настроен на рабочий цикл 50% и выходную частоту 100 кГц. Один из цифровых выходов ADALM2000 может быть запрограммирован для этого, или может использоваться второй выход AWG. Несимметричный вход канала осциллографа 1 (1+) используется для измерения сигнала, наблюдаемого на выходе аналогового компаратора напряжения.

Процедура:

Обязательно запустите генератор сигналов и цифровые тактовые выходы на плате ADALM2000 перед включением настольного источника питания +5 В. Регулируемое выходное напряжение в узле Vout должно наблюдаться при настройке значения смещения постоянного тока генератора сигналов. Оно должно быть в 3 раза больше (( 1 + 2 ) / 1 )) значения постоянного тока В REF .

Вопросы:

Каков эффект изменения значения постоянного тока на положительном входе компаратора?
Каков эффект изменения частоты цифрового тактового сигнала?
Есть минимум? или максимум?
Какой ток цепь может подавать на нагрузку?
На этот ток влияет напряжение, на которое установлен выход?
На этот ток влияет частота цифрового тактового сигнала?
Рассчитайте коэффициент полезного действия преобразования схемы.Отношение выходной мощности (Iout * Vout) к входной мощности (Iin * 5V)
Измените значение L 1 и повторите вышеуказанное. Как изменились результаты?

Цель:

Целью этого упражнения является исследование схемы на основе индуктора, которая может производить выходное напряжение, отрицательное по отношению к земле. Этот класс цепей называют преобразователями постоянного тока в постоянный.

Материалы:

1 - КМОП-операционный усилитель AD8541 с однополярным питанием, используемый в качестве компаратора (или компаратора AD8561)
1 - 74HC00 quad NAND затвор (или CD4007 см. Приложение)
1 - общий PNP-транзистор (TIP32 или аналогичное устройство)
1 - резистор 20 кОм
1 - резистор 10КОм
1-2.Резистор 2 кОм
1 - индуктивность 1 мГн
1 - конденсатор 47 мкФ
1 - конденсатор 220 мкФ
1 - выпрямительные диоды (1N4001, 1N3064)

Дополнительное оборудование:

Маленький портативный цифровой мультиметр
+5 В Настольный источник питания

Направление:

Соединения макетной платы показаны на схеме ниже. Цифровой мультиметр должен быть подключен для измерения напряжения на В OUT . Стендовый источник питания + 5V должен быть подключен к узлу V IN .Выход генератора сигналов управляет отрицательным входом компаратора на выводе 2. Выход цифрового тактового сигнала управляет вторым входом логического элемента NAND и на выводе 5. Вход осциллографа 2+ (несимметричный) подключен к выходу компаратор на выводе 6.

Рисунок 3 Инвертирующий преобразователь постоянного тока в постоянный

Настройка оборудования:

Генератор сигналов должен быть настроен на постоянный выход постоянного тока 2,5 В. Выход цифровых часов должен быть настроен на рабочий цикл 50% и выходную частоту 100 кГц.Несимметричный вход канала осциллографа 1 (1+) используется для измерения выходного сигнала аналогового компаратора напряжения.

Процедура:

Обязательно запустите генератор сигналов и цифровые тактовые выходы на плате ADALM2000 перед включением настольного источника питания + 5В. Регулируемое выходное напряжение в узле V OUT должно наблюдаться при настройке значения смещения постоянного тока генератора сигналов. Оно должно быть равно - В REF , когда V REF установлено на 2.5 В (при условии, что В IN составляет + 5 В).

Вопросы:

Каков эффект изменения величины постоянного тока на отрицательном входе компаратора?
Каков эффект изменения частоты цифрового тактового сигнала?
Есть минимум? или максимум?
Какой ток цепь может подавать на нагрузку?
На этот ток влияет напряжение, на которое установлен выход?
На этот ток влияет частота цифрового тактового сигнала?
Рассчитайте коэффициент полезного действия преобразования схемы.Отношение выходной мощности (Iout * Vout) к входной мощности (Iin * 5V)
Измените значение L 1 и повторите вышеуказанное. Как изменились результаты?

Добавленные схемы:

Какую схему вы могли бы создать для генерации прямоугольной волны 100 кГц, кроме использования выхода цифрового тактового сигнала на плате ADALM2000? В пакете 74HC00 есть два дополнительных затвора. Два других шлюза NAND вместе с сетью задержки RC, R 4 C 4 могут быть сконфигурированы в кольцевой генератор, как показано ниже.Значения для R 4 и C 4 являются приблизительными для 100 кГц и могут быть изменены при необходимости.

Рисунок 4 Автономный стробируемый генератор

Вопросы:

Какие еще типы схем генераторов можно использовать для генерации прямоугольной волны 100 кГц?
постоянного тока опорного напряжения с выхода генератора сигнала от ADALM2000 платы может быть заменен опорной цепью запрещенной зоны от активности 8 в этой серии. Питания + 5В могут быть подключены, где опорный вход показан на рисунке, и R 1 и R 2 регулируют для получения желания опорного напряжения (где 2+ показан), который будет использоваться на плюс входе компаратора LM2901 .

Рисунок 5 Ссылка на ширину запрещенной зоны из упражнения 9

Вопросы:

Какие другие типы опорных цепей можно использовать для генерации постоянного напряжения, необходимого для плюсового входа компаратора?

Ниже представлена ​​схема и распиновка CD4007:

Рисунок 6 Распиновка матрицы CMOS-транзисторов CD4007

Как показано на рисунке 7, один вентиль NAND с двумя входами и один инвертор могут быть построены из одного корпуса CD4007.Сконфигурируйте вентиль NAND , как показано ниже, соединив контакты 12 и 13 вместе как выход NAND . Контакты 14 и 11 подключены к V DD для питания, а контакт 7 V SS к земле. Контакт 9 должен быть привязан к контакту 8 для завершения N-стороны затвора NAND . Контакт 6 будет входом A, а контакт 10 - входом B.

Рисунок 7 2 входа NAND и инвертор

Инвертор создается путем подключения контакта 2 к V DD , контакта 4 к V SS , контакты 1 и 5 соединяются вместе как выход, а контакт 3 - как вход.

Логический элемент И создается путем подключения выхода NAND на контактах 12 и 13 к входу инвертора на контакте 3.

Вернуться к лабораторной работе Содержание

университет / курсы / электроника / электроника-лаборатория-15.txt · Последнее изменение: 12 июля 2019 г., 14:15 автор: andreeapop

.

Все преобразователи постоянного тока в постоянный | VPT, Inc.

VPT предлагает несколько линий преобразователей постоянного тока в постоянный, преобразователей точек нагрузки и дополнительных устройств для питания вашей авионики, военной, космической, промышленной или высокотемпературной программы. Наше основное внимание уделяется разработке и производству модулей преобразования энергии для высоконадежных программ, когда и где бы то ни было, эффективность и надежность имеют решающее значение.

VPT предлагает несколько линеек высоконадежных преобразователей постоянного тока в постоянный, включая изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный и неизолированные преобразователи точки нагрузки, а также вспомогательные продукты для космического, авионического, военного и промышленного применения, созданные на основе десятилетий проверенного наследия. .Наши отмеченные наградами блоки питания постоянного и постоянного тока используются в системах для многих крупнейших организаций и программ мирового класса с использованием эффективных и надежных технологий.

Мы производим и поставляем радиационно-стойкие и радиационно стойкие преобразователи мощности для критически важных космических программ с диапазоном уровней TID и SEE, подходящих для LEO, MEO, GEO, дальнего космоса и программ запуска. Гибридные преобразователи
VPT с толстой пленкой подходят для критически важных приложений, требующих экстремальных температур, а наша специализированная линейка преобразователей постоянного тока в постоянный для высокотемпературных сред была охарактеризована во всем диапазоне рабочих температур от -55 ° C до 155 ° C с высокой производительностью. гарантировано.

COTS и преобразователи постоянного тока промышленного уровня также основаны на проверенном опыте компании VPT в области космической продукции.

Обширная линейка преобразователей постоянного тока в постоянный ток

VPT:

  • Диапазон входного постоянного напряжения 9-80 (В)
  • Одинарный, двойной и тройной выход
  • Диапазон выходного напряжения до 28 (В
  • Максимальный диапазон мощности 1-250 (Вт)
  • Доступны толстопленочные гибридные преобразователи со встроенным фильтром электромагнитных помех
  • Полностью залитый эпоксидный пакет доступен на некоторых моделях
  • DLA SMDS доступен для многих моделей
  • MIL-PRF-38534 Класс H и Класс K
  • MIL-STD-461, MIL-STD-704A, DO-160, MIL-STD-883, ISO-9001
  • Много товаров на складе для немедленной доступности и быстрой доставки

Наши преобразователи спроектированы, изготовлены и испытаны для того, чтобы выдерживать суровые условия авионики, высоких температур, военных и космических миссий - проверены для решения многих задач вашей критически важной миссии.

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о