Повышающий преобразователь напряжения схема. Повышающие DC-DC преобразователи: принцип работы и применение

Эта схема позволяет повысить входное напряжение 5В до выходного напряжения 12В. Основные компоненты схемы:

• L1 — дроссель 100 мкГн
• D1 — диод Шоттки 1N5819
• C1 — электролитический конденсатор 220 мкФ

При сборке важно использовать качественные компоненты и обеспечить хороший теплоотвод для микросхемы и диода. Правильно собранный преобразователь может обеспечить выходной ток до 500 мА при КПД около 80%.

Проблемы и их решение при работе с повышающими преобразователями

При работе с повышающими DC-DC преобразователями могут возникать некоторые проблемы:

• Повышенный уровень пульсаций выходного напряжения
• Низкий КПД
• Перегрев компонентов
• Нестабильность выходного напряжения

Для решения этих проблем можно предпринять следующие меры:

1. Увеличить емкость выходного конденсатора для снижения пульсаций
2. Оптимизировать выбор компонентов для повышения КПД
3. Обеспечить эффективный теплоотвод
4. Использовать обратную связь для стабилизации выходного напряжения

Правильный подход к проектированию и отладке преобразователя позволяет избежать большинства проблем и добиться стабильной и эффективной работы устройства.

ПРОСТОЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразователи напряжения сейчас «на слуху» — весьма востребованные устройства. Поддался искушению и тоже собрал простейший повышающий преобразователь с 1,2 до 9 вольт для питания мультиметра. Тем более, что китайский аккумулятор Camelion купленный три года назад уже был далеко не в лучшей форме.

Стабилитрон подобрал так, чтобы напряжение было несколько более 9 вольт, пусть тестер «кушает вволю» и соответственно при прозвонке пищит, как следует.

Схема устройства

Схема простейшая, в пояснениях не нуждается, заработала сразу, добавлю только, что ферритовое колечко лучше взять от энергосберегающей лампочки – не подведёт, а вместо диода 1N4148 поставить диод Шоттки 1N5817 или 1N5819 – на них меньшее падение напряжения, R2 мощностью 1 Вт.

Замена 9-ти вольтового питающего аккумулятора на аккумулятор напряжением 1,2 вольта удобство фантастическое… НО, где его разместить, опять в штатном отсеке? Это как поменять «шило на мыло». Вот и углядел в защитном кожухе подходящее место и главное прорезь уже есть и внутри её, в продолжении, горизонтальные цилиндрические выемки – как раз под установку контактов.

Приложил аккумулятор – чуть великоват по длине.

Помогла пилка по металлу и напильник, а для того чтобы аккумулятор «не высовывался» по высоте немного срезал буртики имеющейся прорези под углом 45 градусов и он стал по месту.

Ставить дополнительный выключатель не захотел и к уже имеющемуся тандемом решил приспособить дополнительный с самостоятельной функцией отключения «мизинчикового» аккумулятора от преобразователя. Нашёл подходящий, не фиксирующийся выключатель (на фото видно — стоит на  ЖК индикаторе). Сделал под него разметку, благо на плате рядом с кнопкой включения было свободное место и установил.

Подпаял провода и вывел через заднюю стенку наружу корпуса.

Непосредственно к клавише приклеил пластмассовое дополнение в виде овала с резьбовым отверстием и регулировочным винтом внутри его.

Кнопку на место, а винт выставил так, чтобы было необходимое замыкание контакта на дополнительном выключателе при нажатии на его клавишу регулировочным винтом.

Плату с преобразователем поместил в штатный отсек питания, подсоединил, собрал корпус, а к проводам, идущим к новому отсеку питания, припаял соответствующие контакты.

Вот такой вид имеет действующий отсек питания:

Аккумулятор установлен в отведённое место. Мультиметр готов к работе. Обращу внимание на то, что ни в облике мультиметра, ни в порядке действий по его включению ничего не изменилось, а вот функционировать он стал как бы даже пошустрее, ибо получает полноценное питание предписанное изготовителем. Эту статью написал Babay, который никогда не сможет оставить не выключенным дополнительный выключатель))

DC/DC преобразователи — виды, принципы работы, схемы

Принцип работы DC/DC преобразователей импульсного типа основан на явлении самоиндукции. При прерывании тока, идущего через катушку индуктивности, в магнитном поле, которое индуцировано вокруг нее, возникает ЭДС, а на ее клеммах — напряжение обратной полярности. Управляя током и временем переключения схемы, можно выполнять регулировку напряжения самоиндукции.

Импульсный конвертор DC/DC представляет собой электронную схему, которая содержит катушку индуктивности. Она циклически подключается к источнику электропитания и отключается от него. Поскольку катушка нуждается в циклической зарядке, схема также должна включать конденсатор, выполняющий фильтрацию электросигнала и поддерживающий величину выходного напряжения. В качестве регулировочного элемента, управляющего временем пропускания электрического тока, выступает транзистор или тиристор.

Преобразователи применяются для построения источников питания в вычислительной технике, телекоммуникационной аппаратуре, автоматизированных системах управления, мобильных устройствах. Они обеспечивают изменение выходного постоянного напряжения в большую или меньшую сторону относительно входного напряжения.

Существует несколько типов преобразователей DC/DC. Выбор модели зависит от того, для чего нужен источник питания и каковы должны быть его характеристики. Основными рабочими параметрами импульсных преобразователей являются:

• выходное напряжение. Оно может быть фиксированным и регулируемым в определенном диапазоне;
• входное напряжение;
• выходной ток. Он определяет, насколько мощную нагрузку можно питать от источника. Расчет мощности конвертора осуществляется по формуле Р = U*I, где U — Напряжение, а I — сила электротока;
• стабилизация напряжения;
• величина пульсаций;
• КПД.

Также при выборе нужно уделять внимание наличию систем защиты от перегрузок, перегрева и КЗ, наличию гальванической развязки, которая исключает возможность подачи опасного входного напряжения на выходные контакты.

По назначению устройства бывают:

• понижающими;
• повышающими;
• инвертирующими.

Понижающие преобразователи (регуляторы I типа)

Используются для нагрузок, которым для работы необходимо большие токи и малые напряжения. Фундаментальная схема DC/DC конвертора этого типа состоит из катушки индуктивности, конденсатора, ключевого транзистора, диода. Переключение сигнала осуществляется посредством транзистора, который управляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Время открывания и закрывания ключа задается рабочим циклом. Когда транзистор открыт, электроток свободно протекает через катушку, конденсатор, сопротивление. Выполняется накопление энергии в конденсаторе и дросселе, а увеличение тока осуществляется постепенно, а не дискретно. Диод остается в запертом положении.

Когда напряжение достигнет заданного значения, транзистор запирается. Ток начинает течь по контуру с открытым диодом благодаря ЭДС самоиндукции. Значение электротока медленно уменьшается.

Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)

Они применяются для электропитания потребителей, которым необходимо напряжение, большее, чем напряжение источника энергии. Принцип работы DC/DC преобразователя повышающего типа аналогичен понижающему конвертору. Устройство состоит из тех же элементов, но имеет другую схему подключения. Открывание и закрывание транзистора также осуществляется с помощью настроек ШИМ.

Открытый ключ обеспечивает протекание тока через транзистор и дроссель. При этом катушка запасает электроэнергию, а закрытый диод не позволяет разряжаться выходному конденсатору, питающему нагрузочное сопротивление. Как только напряжение падает ниже заданного уровня, происходит закрывание транзистора. В результате диод открывается и начинается подзарядка конденсатора. Входное напряжение суммируется с энергией, которая генерируется на катушке. Благодаря этому выходной сигнал становится выше, чем исходный. После достижения верхней границы напряжения, ключ снова закрывается, и цикл начинается заново.

Инвертирующие преобразователи (регуляторы III типа)

Предназначены для получения напряжения обратной полярности. При этом выходной сигнал может быть как ниже входного, так и выше. Микросхемы ДС/ДС преобразователей напряжения инвертирующего типа содержат тот же набор базовых элементов, что и вышеописанные устройства I и II типов, но их соединение выполнено в другой последовательности. К источнику питания последовательно подключаются транзистор, диод, сопротивление нагрузки с конденсатором. Индуктивный накопитель энергии подсоединяется между коммутирующим элементом и диодом.

При замыкании ключа энергия запасается в катушке. Диод при этом закрыт и не дает электротоку протекать к нагрузке. При отключении транзистора ЭДС индуктивного накопителя прикладывается к участку цепи с диодом, сопротивлением и конденсатором. Диод выпрямителя пропускает только импульсы напряжения с отрицательным знаком, поэтому на выходе формируется инверсное напряжение, знак которого противоположен знаку источника.

Приведенные выше варианты представляют собой упрощенные схемы конверторов постоянного напряжения. Подавляющее большинство современных преобразователей отличается намного более сложным устройством. Например, они оснащены гальванической развязкой, которая обеспечивает изоляция входной электроцепи от выходной. Их широко используют в источниках питания с IGBT-транзисторами, программируемых логических контроллерах. За счет гальванической развязки достигается высокий уровень безопасности и помехоустойчивости.

При этом схема DC/DC конвертора может быть регулируемой, нерегулируемой и полурегулируемой.

Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы.

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

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

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

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Фаза 1

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

Фаза 2

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

Фаза 3

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

Фаза 4

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

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

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

Фаза 1

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

Фаза 2

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

Фаза 3

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

Фаза 4

Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.

Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:

U_ист*I_ист = U_потр*I_потр

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

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

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

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

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

Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:

Конденсатор С1 призван оградить питающую цепь от бросков. Потому и взят побольше. Резистор R1 у меня взят на 1.5кОм, а R2 на 13кОм, что дает нам напряжение выхода в 12 вольт. В качестве диода надо выбирать диод Шоттки. Например 1N5819. У диодов Шоттки заметно ниже падение напряженияна pn переходе, а еще ниже паразитная емкость этого перехода, что позволяет ему работать с меньшими потерями на больших частотах. Микросхема может работать на входном напряжении от 3 вольт.

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

Вытравил, спаял…

Запитал от 5 вольт и нагрузил на 12ти вольтовую светодиодную линейку. КПД у моего преобразователя, кстати, получился так себе — не выше 50% т.к. слишком маленькая индуктивность дросселя и большая емкость конденсатора С3, но иного под рукой не оказалось.

Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.

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

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие (рис. 1), повышающие (рис. 2) и инвертирующие (рис. 3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов :

1. источник питания,
2. ключевой коммутирующий элемент,
3. индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель),
4. блокировочный диод,
5. конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии.

Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки RH и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Рис. 1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 2) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь так: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1.

Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака (инверсное, противоположное по знаку напряжению питания).

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

Для стабилизации выходного напряжения импульсных стабилизаторов любого типа могут быть использованы обычные «линейные» стабилизаторы, но они имеют низкий КПД, В этой связи гораздо логичнее для стабилизации выходного напряжения импульсных преобразователей использовать импульсные же стабилизаторы напряжения, тем более, что осуществить такую стабилизацию совсем несложно.

Импульсные стабилизаторы напряжения, в свою очередь, подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и на стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией. В первых из них изменяется длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования. Во вторых, напротив, изменяется частота управляющих импульсов при их неизменной длительности. Встречаются импульсные стабилизаторы и со смешанным регулированием.

Ниже будут рассмотрены радиолюбительские примеры эволюционного развития импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения.

Узлы и схемы импульсных преобразователей

Задающий генератор (рис. 4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 5, 6) на микросхеме КР1006ВИ1 работает на частоте 65 кГц. Выходные прямоугольные импульсы генератора через RC-цепоч-ки подаются на транзисторные ключевые элементы, включенные параллельно.

Катушка индуктивности L1 выполнена на ферритовом кольце с внешним диаметром 10 мм и магнитной проницаемостью 2000. Ее индуктивность равна 0,6 мГн. Коэффициент полезного действия преобразователя достигает 82%.

Рис. 4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения.

Рис. 5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В.

Рис. 6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В.

Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 5, 6) составляет 140 мА .

В выпрямителе преобразователя (рис. 5, 6) использовано параллельное соединение слаботочных высокочастотных диодов, включенных последовательно с выравнивающими резисторами R1 — R3.

Вся эта сборка может быть заменена одним современным диодом, рассчитанным на ток более 200 мА при частоте до 100 кГц и обратном напряжении не менее 30 В (например, КД204, КД226).

В качестве VT1 и VT2 возможно использование транзисторов типа КТ81х структуры п-р-п — КТ815, КТ817 (рис. 4.5) и р-п-р — КТ814, КТ816 (рис. 6) и другие.

Для повышения надежности работы преобразователя рекомендуется включить параллельно переходу эмиттер — коллектор транзистора диод типа КД204, КД226 таким образом, чтобы для постоянного тока он был закрыт.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА , Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Преобразователь напряжения, выполненный на основе генератора импульсов на микросхеме DA1 КР1006ВИ1, усилителя на основе полевого транзистора VT1 и индуктивного накопителя энергии с выпрямителем и фильтром, показан на рис. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 В . Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 11) использует новое сочетание основных компонентов и включает в себя генератор четырехфазных импульсов, катушку индуктивности и два транзисторных ключа.

Управляющие импульсы формирует D-триггер (DD1.1). В течение первой фазы импульсов катушка индуктивности L1 запасается энергией через транзисторные ключи VT1 и VT2. В течение второй фазы ключ VT2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения.

Во время третьей фазы замыкаются оба ключа, в результате чего катушка индуктивности вновь накапливает энергию. При размыкании ключа VT1 во время заключительной фазы импульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания. При поступлении на вход импульсов с частотой 8 кГц схема обеспечивает выходные напряжения ±12 В . На временной диаграмме (рис. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения (рис. 12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения с выходным стабилизированным напряжением 30 В.

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 по обычной схеме собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой около 40 кГц.

К выходу генератора подключен транзисторный ключ VT1, коммутирующий катушку индуктивности L1. Амплитуда импульсов при коммутации катушки зависит от качества ее изготовления.

Во всяком случае напряжение на ней достигает десятков вольт. Выходное напряжение выпрямляется диодом VD1. К выходу выпрямителя подключен П-образный RC-фильтр и стабилитрон VD2. Напряжение на выходе стабилизатора целиком определяется типом используемого стабилитрона. В качестве «высоковольтного» стабилитрона можно использовать цепочку стабилитронов, имеющих более низкое напряжение стабилизации.

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 13.

Рис. 13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией.

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

Аналоги транзисторов: ВС237В — КТ342А, КТ3102; ВС307В — КТ3107И, BF459—КТ940А.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения показаны на рис. 14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА , второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В ) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А 2N4903 — КТ814.

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту потоку нагрузки, показан на рис. 15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА.

Рис. 15. Схема понижающего преобразователя напряжения.

При изменении сопротивления нагрузки на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%.

Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Двухполярный инвертор напряжения

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих операционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 16.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямляется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра СЗ и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения — регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

Рис. 16. Схема инвертора напряжения +15/-15 В.

Рабочая частота генерации — около 200 кГц под нагрузкой и до 500 кГц без нагрузки. Максимальный ток нагрузки — до 50 мА, КПД устройства — 80%.

Недостатком конструкции является относительно высокий уровень электромагнитных помех, впрочем, характерный и для других подобных схем.

В качестве L1 использован дроссель ДМ-0,2-200.

Инверторы на специализированных микросхемах

Наиболее удобно собирать высокоэффективные современные преобразователи напряжения , используя специально созданные для этих целей микросхемы.

Микросхема КР1156ЕУ5 (МС33063А, МС34063А фирмы Motorola) предназначена для работы в стабилизированных повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователях мощностью в несколько ватт.

На рис. 17 приведена схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, С4, накопительный дроссель L1, выпрямительный диод VD1, конденсатор С2, задающий частоту работы преобразователя, дроссель фильтра L2 для сглаживания пульсаций. Резистор R1 служит датчиком тока. Делитель напряжения R2, R3 определяет величину выходного напряжения.

Рис. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 170 мкГн намотан на трех склеенных кольцах К12x8x3 М4000НМ проводом ПЭШО 0,5. Обмотка состоит из 59 витков. Каждое кольцо перед намоткой следует разломить на две части.

В один из зазоров вводят общую прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм и склеивают пакет. Можно также применить кольца из феррита с магнитной проницаемостью свыше 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

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

Рис. 4.19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 4.19) показана типовая схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5, Микросхема DA1 питается суммой входного и выходного напряжений, которая не должна превышать 40 В.

Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=5 S; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 100 и 40 мВ.

Для дросселя L1 инвертирующего преобразователя индуктивностью 88 мкГн были использованы два кольца К12x8x3 М4000НМ с зазором 0,25 мм. Обмотка состоит из 35 витков провода ПЭВ-2 0,7. Дроссель L2 во всех преобразователях стандартный — ДМ-2,4 индуктивностью 3 мкГч. Диод VD1 во всех схемах (рис. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5…5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 20. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ743.

По внутренней структуре микросхема не отличается от типового построения подобного рода преобразователей, выполненных на дискретных элементах, однако интегральное исполнение позволяет при минимальном количестве внешних элементов создавать высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 20) частота преобразования может достигать 200 кГц (что намного превышает частоту преобразования подавляющего большинства преобразователей, выполненных на дискретных элементах). При напряжении питания 5 В КПД составляет 80…82% при нестабильности выходного напряжения не более 3%.

Микросхема снабжена защитой от аварийных ситуаций: при снижении питающего напряжения на 10% ниже нормы, а также при перегреве корпуса (выше 195°С).

Для снижения на выходе преобразователя пульсаций с частотой преобразования (200 кГц) на выходах устройства установлены П-образные LC-фильтры. Перемычка J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 6) в стабилизированное 3,3 или 5,0 В предназначена специальная микросхема, разработанная фирмой MAXIM, — МАХ765 . Отечественные аналоги — КР1446ПН1А и КР1446ПН1Б. Микросхема близкого назначения — МАХ757 — позволяет получить на выходе плавно регулируемое напряжение в пределах 2,7…5,5 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 21, содержит незначительное количество внешних (навесных) деталей.

Работает это устройство по традиционному принципу, описанному ранее. Рабочая частота генератора зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и изменяется в широких пределах — от десятков Гц до 100 кГц.

Величина выходного напряжения определяется тем, куда подключен вывод 2 микросхемы DA1: если он соединен с общей шиной (см. рис. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно. Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА . Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В . КПД преобразователя — до 80%.

Назначение вывода 1 (SHDN) — временное отключение преобразователя путем замыкания этого вывода на общий провод. Напряжение на выходе в этом случае понизится до значения, несколько меньшего, чем входное напряжение.

Светодиод HL1 предназначен для индикации аварийного снижения питающего напряжения (ниже 2 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 и ниже).

Дроссель L1 выполняют на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1. Он содержит 28 витков провода ПЭШО 0,5 мм и имеет индуктивность 22 мкГч. Перед намоткой ферритовое кольцо разламывают пополам, предварительно надпилив алмазным надфилем. Затем кольцо склеивают эпоксидным клеем, установив в один из образовавшихся зазоров текстолитовую прокладку толщиной 0,5 мм.

Индуктивность полученного таким образом дросселя зависит в большей степени от толщины зазора и в меньшей — от магнитной проницаемости сердечника и числа витков катушки. Если смириться с увеличением уровня электромагнитных помех, то можно использовать дроссель типа ДМ-2,4 индуктивностью 20 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

Бестрансформаторный источник питания (рис. 23) предназначен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 В. Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9В и токе нагрузки 50 мА источник питания потребляет от сети около 8 мА.

Рис. 23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 — VD4 (рис. 4.23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время заряда конденсатора С2 определяется постоянной цепи R1, С2. В первый момент после включения устройства тиристор VS1 закрыт, но при некотором напряжении на конденсаторе С2 он откроется и подключит к этому конденсатору цепь L1, СЗ.

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

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и СЗ не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора СЗ через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора СЗ через нагрузку. Стабилитрон VD6 ограничивает напряжение на нагрузке.

Как только закрывается тиристор VS1 напряжение на конденсаторе С2 снова начинает увеличиваться. В некоторый момент тиристор снова открывается, и начинается новый цикл работы устройства. Частота открывания тиристора в несколько раз превышает частоту пульсации напряжения на конденсаторе С1 и зависит от номиналов элементов цепи R1, С2 и параметров тиристора VS1.

Конденсаторы С1 и С2 — типа МБМ на напряжение не ниже 250 В. Дроссель L1 имеет индуктивность 1…2 мГн и сопротивление не более 0,5 Ом. Он намотан на цилиндрическом каркасе диаметром 7 мм.

Ширина обмотки 10 мм, она состоит из пяти слоев провода ПЭВ-2 0,25 мм, намотанного плотно, виток к витку. В отверстие каркаса вставлен подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Схемы устройств для преобразования энергии

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 4.24 и 4.25. Они представляют собой понижающие преобразователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизировано.

Рис. 24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

Рис. 25. Вариант схемы понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

В качестве динисторов VD4 можно использовать отечественные низковольтные аналоги — КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 23), источники питания (рис. 24 и 25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 47 мкФ. В качестве источника питания используется батарея напряжением 9 В. Выходное напряжение на сопротивлении нагрузки 1 кОм достигает 50 В. КПД составляет 80% и возрастает до 95% при использовании в качестве ключевых элементов К1 и К2 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Импульсно-резонансный преобразователь

Импульсно-резонансные преобразователи конструкции к,т.н. Н. М. Музыченко, один из которых показан на рис. 4,27, в зависимости от формы тока в ключе VT1 делятся на три разновидности, в которых коммутирующие элементы замыкаются при нулевом токе, а размыкаются — при нулевом напряжении. На этапе переключения преобразователи работают как резонансные, а остальную, большую, часть периода — как импульсные.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

Отличительной чертой таких преобразователей является то, что их силовая часть выполнена в виде индуктивно-емкостного моста с коммутатором в одной диагонали и с коммутатором и источником питания в другом. Такие схемы (рис. 27) отличаются высокой эффективностью.

Пролог.

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

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

Порядок намотки импульсного трансформатора.

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

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

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

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

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

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

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

Настройка преобразователя.

Настройка может потребоваться для установки необходимого уровня выходного напряжения.

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

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

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

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

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

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

Окончательная сборка импульсного преобразователя напряжения.

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

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

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

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

Доработка мультиметра.

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

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

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

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

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

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

Мелкие подробности.

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

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

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

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

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

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

Фаза 2

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

Фаза 3

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

Фаза 4

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

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

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

Фаза 1

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

Фаза 2

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

Фаза 3

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

Фаза 4

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

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

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

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

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

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

Вытравил, спаял…

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

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

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

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

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

Реальная схема устройства:

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

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

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

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

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

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

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

Осциллограмма на ключе при входном напряжении 12В

При небольшой нагрузке наблюдается колебательный процесс дросселя

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

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

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

Выводы делайте сами:)

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

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

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

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

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

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

V OUT = 1.23V ×

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

Схема очень похожа, но есть незначительные отличия.

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

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

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

Повышающий DC-DC преобразователь напряжения Чаплыгина | Электронные схемы

повышающий dc-dc преобразователь напряжения своими руками

Есть такой известный повышающий преобразователь постоянного напряжения,под названием «преобразователь Чаплыгина».Преобразователь довольно «хитрый»:если отключить нагрузку,преобразователь перестает работать и не потребляет ток при подведенном на вход источнике тока.

повышающий dc-dc преобразователь напряжения Чаплыгина

Инвертор собран по двухтактной схеме на транзисторах p-n-p КТ837В. Питание подавал с аккумулятора 3.7В,нагрузкой служила лампа накаливания 12В 10 Вт. На лампе было напряжение 8.2 В а КПД преобразователя 78%,при этом транзисторы были теплые но не горячие.Если заметить,что на выходе нет диодов для выпрямления тока,их роль выполняют эмиттерные переходы транзисторов.

p-n-p транзисторы кт837 распиновка

Транзисторы можно взять другой структуры поменяв при этом полярность питания и конденсаторов.Ток базы транзисторов должен соответствовать току нагрузки,а напряжение база-эмиттер не меньше разницы напряжения на входе и выходе преобразователя.Также желательно подобрать транзисторы как можно ближе по значению коэффициента усиления.

трансформатор для импульсного преобразователя на кольцевом магнитопроводе 2000нм-1

Трансформатор намотан на кольцевом ферритовом магнитопроводе 2000нм-1.Его размеры 30*16*10,можно выбрать и другой размер.Обмотки 1-2 содержат по 6 витков,обмотки 3-4 по 10 витков провода 0.5-0.7мм. Намотку вести проводом сложенным вдвое,начало обмоток указано на схеме точками.Если при включении генератор не запускается,надо поменять местами выводы базовых обмоток.Трансформатор при работе тихо пищит,частота преобразователя примерно 7800Гц.

осциллограмма меандра на базах транзистора преобразователя

На осциллограмме виден меандр,такой сигнал будет на базах транзисторов относительно эмиттера.Частота преобразователя будет повышаться,если напряжение на входе будет повышаться.

преобразователь напряжения чаплыгина

Микросхемы преобразователей напряжения dc. Как работают импульсные преобразователи напряжения (27 схем)

LM2596 — понижающий преобразователь постоянного тока, он выпускается часто в виде готовых модулей, около 1 доллара ценой (в поиске LM2596S DC-DC 1.25-30 В 3A). Заплатив же 1,5 доллара, на Али можно взять похожий модуль с LED индикацией об входном и выходном напряжении, выключение выходного напряжения и точной настройкой кнопками с отображением значений на цифровых индикаторах. Согласитесь — предложение более чем заманчивое!

Ниже приводится принципиальная схема данной платы преобразователя (ключевые компоненты отмечены на картинке в конце). На входе есть защита от переполюсовки — диода D2. Это позволит предотвратить повреждения регулятора неправильно подключенным входным напряжением. Несмотря на то, что микросхема lm2596 может обрабатывать согласно даташита входные напряжения вплоть до 45 В, на практике входное напряжение не должно превышать 35 В при длительном использовании.

Для lm2596, выходное напряжение определяется уравнением, приведённым ниже. Резистором R2 выходное напряжение можно регулировать в пределах от 1.23 до 25 В.

Хотя микросхема lm2596 рассчитана на максимальный ток 3 А непрерывной работы, малая поверхность фольги-массы не достаточна, чтобы рассеять выделяемое тепло во всём диапазоне работы схемы. Также отметим, что КПД этого преобразователя варьируется весьма сильно в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и тока нагрузки. Эффективность может колебаться от 60% до 90% в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому теплоотвод является обязательным, если непрерывная работа идёт при токах более чем 1 А.

Согласно даташиту, конденсатор прямой связи необходимо устанавливать параллельно резистору R2, особенно когда напряжение на выходе превышает 10 В — это нужно для обеспечения стабильности. Но этот конденсатор часто не присутствует на китайских недорогих платах инверторов. В ходе экспериментов были проверены несколько экземпляров DC преобразователей в различных условиях эксплуатации. В итоге пришли к выводу, что стабилизатор на ЛМ2596 хорошо подходит для низких и средних токов питания цифровых схем, но для более высоких значений выходной мощности необходим теплоотвод.

Мощный и довольно хороший повышающий преобразователь напряжения можно построить на основе простого мультивибратора.
В моем случае этот инвертор был построен просто для обзора работы, был сделан также небольшой ролик с работой данного инвертора.

О схеме в целом — простой двухтактный инвертор, проще трудно представить. Задающим генератором и одновременно силовой частью являются мощные полевые транзисторы (желательно использовать ключи типа IRFP260, IRFP460 и аналогичные) подключенные по схеме мультивибратора. В качестве трансформатора можно использовать готовый транс от компьютерного блока питания (самый большой трансформатор).

Для наших целей нужно задействовать обмотки 12 Вольт и среднюю точку (коса, отвод). На выходе трансформатора напряжение может доходить до 260 Вольт. Поскольку выходное напряжение является переменным, то нужно выпрямить диодным мостом. Мост желательно собрать из 4-х отдельных диодов, готовые диодные мосты предназначенны для сетевых частот 50Гц, а в нашей схеме выходная частота в районе 50кГц.

Обязательно использовать импульсные, быстрые или ультрабыстрые диоды с обратным напряжением не ниже 400 Вольт и с допустимым током 1 Ампер и Выше. Можно задействовать диоды MUR460, UF5408,HER307, HER207, UF4007, и другие.
Те же самые диоды рекомендую использовать и в схеме задающей цепи.

Схема инвертора работает на основе параллельного резонанса, следовательно, частота работы будет зависеть от нашего колебательного контура — в лице первичной обмотки трансформатора и конденсатору параллельно этой обмотке.
На счет мощности и работы в целом. Правильно собранная схема в дополнительной наладке не нуждается и работает сразу. В ходе работы ключи не должны вообще греться, если выход трансформатора не нагружен. Холостой ток инвертора может доходить до 300мА — это норма, выше уже проблема.

С хорошими ключами и трансформатором с этой схемы без особых проблем можно снять мощность в районе 300 Ватт, в некоторых случаях даже 500 ватт. Номинал входных напряжений довольно шиток, схема будет работать от источника 6 Вольт до 32 -х Вольт, больше подавать не рискнул.

Дросселя — мотаются проводом 1,2мм на желто-белых кольцах от дросселя групповой стабилизации в компьютерном блоке питания. Количество витков каждого дросселя -7, оба дросселя полностью одинаковы.

Конденсаторы параллельно первичной обмотке может чуть нагреться в ходе работы, поэтому советую использовать высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением 400 Вольт и выше.

Схема проста и полностью работоспособна, но не смотря на простоту и доступность конструкции — это не идеальный вариант. Причина — не самое лучшее управление полевыми ключами. Схема лишена специализированного генератора и управляющей цепи, что делает ее не совсем надежный, если схема предназначена для длительной работы под нагрузкой. Схема может питать ЛДС и устройства, которые имеют встроенные ИИП.

Важное звено — трансформатор, должен быть хорошо намотан и правильно сфазирован, ибо он играет основную роль в надежной работе инвертора.

Первичная обмотка 2х5 витков шиной из 5 -и проводов 0,8 мм. Вторичная обмотка намотана проводом 0,8 мм и содержит 50 витков — это в случае самостоятельной намотки трансформатора.

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие (рис. 1), повышающие (рис. 2) и инвертирующие (рис. 3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов :

1. источник питания,
2. ключевой коммутирующий элемент,
3. индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель),
4. блокировочный диод,
5. конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии.

Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки RH и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Рис. 1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 2) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь так: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1.

Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака (инверсное, противоположное по знаку напряжению питания).

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

Для стабилизации выходного напряжения импульсных стабилизаторов любого типа могут быть использованы обычные «линейные» стабилизаторы, но они имеют низкий КПД, В этой связи гораздо логичнее для стабилизации выходного напряжения импульсных преобразователей использовать импульсные же стабилизаторы напряжения, тем более, что осуществить такую стабилизацию совсем несложно.

Импульсные стабилизаторы напряжения, в свою очередь, подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и на стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией. В первых из них изменяется длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования. Во вторых, напротив, изменяется частота управляющих импульсов при их неизменной длительности. Встречаются импульсные стабилизаторы и со смешанным регулированием.

Ниже будут рассмотрены радиолюбительские примеры эволюционного развития импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения.

Узлы и схемы импульсных преобразователей

Задающий генератор (рис. 4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 5, 6) на микросхеме КР1006ВИ1 работает на частоте 65 кГц. Выходные прямоугольные импульсы генератора через RC-цепоч-ки подаются на транзисторные ключевые элементы, включенные параллельно.

Катушка индуктивности L1 выполнена на ферритовом кольце с внешним диаметром 10 мм и магнитной проницаемостью 2000. Ее индуктивность равна 0,6 мГн. Коэффициент полезного действия преобразователя достигает 82%.

Рис. 4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения.

Рис. 5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В.

Рис. 6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В.

Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 5, 6) составляет 140 мА .

В выпрямителе преобразователя (рис. 5, 6) использовано параллельное соединение слаботочных высокочастотных диодов, включенных последовательно с выравнивающими резисторами R1 — R3.

Вся эта сборка может быть заменена одним современным диодом, рассчитанным на ток более 200 мА при частоте до 100 кГц и обратном напряжении не менее 30 В (например, КД204, КД226).

В качестве VT1 и VT2 возможно использование транзисторов типа КТ81х структуры п-р-п — КТ815, КТ817 (рис. 4.5) и р-п-р — КТ814, КТ816 (рис. 6) и другие.

Для повышения надежности работы преобразователя рекомендуется включить параллельно переходу эмиттер — коллектор транзистора диод типа КД204, КД226 таким образом, чтобы для постоянного тока он был закрыт.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА , Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Преобразователь напряжения, выполненный на основе генератора импульсов на микросхеме DA1 КР1006ВИ1, усилителя на основе полевого транзистора VT1 и индуктивного накопителя энергии с выпрямителем и фильтром, показан на рис. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 В . Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 11) использует новое сочетание основных компонентов и включает в себя генератор четырехфазных импульсов, катушку индуктивности и два транзисторных ключа.

Управляющие импульсы формирует D-триггер (DD1.1). В течение первой фазы импульсов катушка индуктивности L1 запасается энергией через транзисторные ключи VT1 и VT2. В течение второй фазы ключ VT2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения.

Во время третьей фазы замыкаются оба ключа, в результате чего катушка индуктивности вновь накапливает энергию. При размыкании ключа VT1 во время заключительной фазы импульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания. При поступлении на вход импульсов с частотой 8 кГц схема обеспечивает выходные напряжения ±12 В . На временной диаграмме (рис. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения (рис. 12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения с выходным стабилизированным напряжением 30 В.

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 по обычной схеме собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой около 40 кГц.

К выходу генератора подключен транзисторный ключ VT1, коммутирующий катушку индуктивности L1. Амплитуда импульсов при коммутации катушки зависит от качества ее изготовления.

Во всяком случае напряжение на ней достигает десятков вольт. Выходное напряжение выпрямляется диодом VD1. К выходу выпрямителя подключен П-образный RC-фильтр и стабилитрон VD2. Напряжение на выходе стабилизатора целиком определяется типом используемого стабилитрона. В качестве «высоковольтного» стабилитрона можно использовать цепочку стабилитронов, имеющих более низкое напряжение стабилизации.

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 13.

Рис. 13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией.

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

Аналоги транзисторов: ВС237В — КТ342А, КТ3102; ВС307В — КТ3107И, BF459—КТ940А.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения показаны на рис. 14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА , второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В ) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А 2N4903 — КТ814.

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту потоку нагрузки, показан на рис. 15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА.

Рис. 15. Схема понижающего преобразователя напряжения.

При изменении сопротивления нагрузки на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%. Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Двуполярный инвертор напряжения

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих операционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 16.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямляется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра С3 и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения — регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

Рис. 16. Схема инвертора напряжения +15/-15 В.

Рабочая частота генерации — около 200 кГц под нагрузкой и до 500 кГц без нагрузки. Максимальный ток нагрузки — до 50 мА, КПД устройства — 80%. Недостатком конструкции является относительно высокий уровень электромагнитных помех, впрочем, характерный и для других подобных схем. В качестве L1 использован дроссель ДМ-0,2-200.

Инверторы на специализированных микросхемах

Наиболее удобно собирать высокоэффективные современные преобразователи напряжения , используя специально созданные для этих целей микросхемы.

Микросхема КР1156ЕУ5 (МС33063А, МС34063А фирмы Motorola) предназначена для работы в стабилизированных повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователях мощностью в несколько ватт.

На рис. 17 приведена схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, С4, накопительный дроссель L1, выпрямительный диод VD1, конденсатор С2, задающий частоту работы преобразователя, дроссель фильтра L2 для сглаживания пульсаций. Резистор R1 служит датчиком тока. Делитель напряжения R2, R3 определяет величину выходного напряжения.

Рис. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 170 мкГн намотан на трех склеенных кольцах К12x8x3 М4000НМ проводом ПЭШО 0,5. Обмотка состоит из 59 витков. Каждое кольцо перед намоткой следует разломить на две части.

В один из зазоров вводят общую прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм и склеивают пакет. Можно также применить кольца из феррита с магнитной проницаемостью свыше 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

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

Рис. 19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 19) показана типовая схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5, Микросхема DA1 питается суммой входного и выходного напряжений, которая не должна превышать 40 В.

Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=5 S; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 100 и 40 мВ.

Для дросселя L1 инвертирующего преобразователя индуктивностью 88 мкГн были использованы два кольца К12x8x3 М4000НМ с зазором 0,25 мм. Обмотка состоит из 35 витков провода ПЭВ-2 0,7. Дроссель L2 во всех преобразователях стандартный — ДМ-2,4 индуктивностью 3 мкГч. Диод VD1 во всех схемах (рис. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5…5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 20. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ743.

По внутренней структуре микросхема не отличается от типового построения подобного рода преобразователей, выполненных на дискретных элементах, однако интегральное исполнение позволяет при минимальном количестве внешних элементов создавать высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 20) частота преобразования может достигать 200 кГц (что намного превышает частоту преобразования подавляющего большинства преобразователей, выполненных на дискретных элементах). При напряжении питания 5 В КПД составляет 80…82% при нестабильности выходного напряжения не более 3%.

Микросхема снабжена защитой от аварийных ситуаций: при снижении питающего напряжения на 10% ниже нормы, а также при перегреве корпуса (выше 195°С).

Для снижения на выходе преобразователя пульсаций с частотой преобразования (200 кГц) на выходах устройства установлены П-образные LC-фильтры. Перемычка J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 6) в стабилизированное 3,3 или 5,0 В предназначена специальная микросхема, разработанная фирмой MAXIM, — МАХ765 . Отечественные аналоги — КР1446ПН1А и КР1446ПН1Б. Микросхема близкого назначения — МАХ757 — позволяет получить на выходе плавно регулируемое напряжение в пределах 2,7…5,5 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 21, содержит незначительное количество внешних (навесных) деталей.

Работает это устройство по традиционному принципу, описанному ранее. Рабочая частота генератора зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и изменяется в широких пределах — от десятков Гц до 100 кГц.

Величина выходного напряжения определяется тем, куда подключен вывод 2 микросхемы DA1: если он соединен с общей шиной (см. рис. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно.

Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА . Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В . КПД преобразователя — до 80%.

Назначение вывода 1 (SHDN) — временное отключение преобразователя путем замыкания этого вывода на общий провод. Напряжение на выходе в этом случае понизится до значения, несколько меньшего, чем входное напряжение.

Светодиод HL1 предназначен для индикации аварийного снижения питающего напряжения (ниже 2 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 и ниже).

Дроссель L1 выполняют на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1. Он содержит 28 витков провода ПЭШО 0,5 мм и имеет индуктивность 22 мкГч. Перед намоткой ферритовое кольцо разламывают пополам, предварительно надпилив алмазным надфилем. Затем кольцо склеивают эпоксидным клеем, установив в один из образовавшихся зазоров текстолитовую прокладку толщиной 0,5 мм.

Индуктивность полученного таким образом дросселя зависит в большей степени от толщины зазора и в меньшей — от магнитной проницаемости сердечника и числа витков катушки. Если смириться с увеличением уровня электромагнитных помех, то можно использовать дроссель типа ДМ-2,4 индуктивностью 20 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

Бестрансформаторный источник питания (рис. 23) предназначен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 В. Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9В и токе нагрузки 50 мА источник питания потребляет от сети около 8 мА.

Рис. 23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 — VD4 (рис. 23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время заряда конденсатора С2 определяется постоянной цепи R1, С2. В первый момент после включения устройства тиристор VS1 закрыт, но при некотором напряжении на конденсаторе С2 он откроется и подключит к этому конденсатору цепь L1, СЗ.

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

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и СЗ не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора СЗ через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора СЗ через нагрузку. Стабилитрон VD6 ограничивает напряжение на нагрузке.

Как только закрывается тиристор VS1 напряжение на конденсаторе С2 снова начинает увеличиваться. В некоторый момент тиристор снова открывается, и начинается новый цикл работы устройства. Частота открывания тиристора в несколько раз превышает частоту пульсации напряжения на конденсаторе С1 и зависит от номиналов элементов цепи R1, С2 и параметров тиристора VS1.

Конденсаторы С1 и С2 — типа МБМ на напряжение не ниже 250 В. Дроссель L1 имеет индуктивность 1…2 мГн и сопротивление не более 0,5 Ом. Он намотан на цилиндрическом каркасе диаметром 7 мм.

Ширина обмотки 10 мм, она состоит из пяти слоев провода ПЭВ-2 0,25 мм, намотанного плотно, виток к витку. В отверстие каркаса вставлен подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Схемы устройств для преобразования энергии

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 24 и 25. Они представляют собой понижающие преобразователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизировано.

Рис. 24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

Рис. 25. Вариант схемы понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

В качестве динисторов VD4 можно использовать отечественные низковольтные аналоги — КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 23), источники питания (рис. 24 и 25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 47 мкФ. В качестве источника питания используется батарея напряжением 9 В. Выходное напряжение на сопротивлении нагрузки 1 кОм достигает 50 В. КПД составляет 80% и возрастает до 95% при использовании в качестве ключевых элементов К1 и К2 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Импульсно-резонансный преобразователь

Импульсно-резонансные преобразователи конструкции к,т.н. Н. М. Музыченко, один из которых показан на рис. 4,27, в зависимости от формы тока в ключе VT1 делятся на три разновидности, в которых коммутирующие элементы замыкаются при нулевом токе, а размыкаются — при нулевом напряжении. На этапе переключения преобразователи работают как резонансные, а остальную, большую, часть периода — как импульсные.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

Отличительной чертой таких преобразователей является то, что их силовая часть выполнена в виде индуктивно-емкостного моста с коммутатором в одной диагонали и с коммутатором и источником питания в другом. Такие схемы (рис. 27) отличаются высокой эффективностью.

Как вы знаете, для того чтобы зажечь белые и синие светодиоды нужно как минимум 3В, в отличие от красных которые могут светиться от 1,2 до 1,5 вольт в зависимости от типа.

Чтобы белый светодиод начал светится от одной батареи на 1,5 вольт необходимо построить электронную схему под названием . Эти устройства, как правило, используется для получения более высокого выходного напряжения по сравнению с входным постоянным током (DC).

В цепях с переменным током эту функцию . Что бы получить более высокое выходное напряжение достаточно, чтобы соотношение количества витков вторичной обмотки к числу первичной было больше 1 (коэффициент трансформации > 1).

Описание работы преобразователя для светодиода

Возвращаясь к нашему преобразователю постоянного тока, есть множество различных вариантов реализации DC-DC преобразования, многие из которых достаточно сложные. В нашем случае, цель состоит в создании схемы простого и эффективного преобразователя для повышения напряжения от 1,5 В до 3,5 В. Ниже приведена схема подобного DC-DC преобразователя для светодиодов.

Для намотки дросселя необходим феррит, форма и размер которого может быть любыми, но лучше применить сердечник типа «кольцо» (или тора) 1…1,5 см в диаметре. Такой, как правило, используется в качестве фильтра на силовых проводах питания (черный блок рядом с разъемом), также его можно найти в импульсных источниках питания, видеомагнитофонов, сканеров и т.д. Обмотка выполнена проводом ПЭВ-2 диаметром 0,4 мм и содержит 30 витков.

Электронная схема очень проста: она состоит из катушки, двух транзисторов, одного конденсатора и двух резисторов. Набор не впечатляет, но со своей целью справляется. Ток потребления составляет 25 мА, что эквивалентно примерно 50 часам непрерывной работы аккумулятора типа АА. Схема работает достаточно хорошо, обеспечивая средний уровень свечения светодиода.

Двухтактный генератор импульсов, в котором за счет пропорционального токового управления транзисторами существенно уменьшены потери на их переключение и повышен КПД преобразователя, собран на транзисторах VT1 и VT2 (КТ837К). Ток положительной обратной связи протекает через обмотки III и IV трансформатора Т1 и нагрузку, подключенную к конденсатору С2. Роль диодов, выпрямляющих выходное напряжение, выполняют эмиттерные переходы транзисторов.

Особенностью генератора является срыв колебаний при отсутствии нагрузки, что автоматически решает проблему управления питанием. Проще говоря, такой преобразователь будет сам включаться тогда, когда от него потребуется что-нибудь запитать, и выключаться, когда нагрузка будет отключена. То есть, батарея питания может быть постоянно подключена к схеме и практически не расходоваться при отключенной нагрузке!

При заданных входном UВx. и выходном UBыx. напряжениях и числе витков обмоток I и II (w1) необходимое число витков обмоток III и IV (w2) с достаточной точностью можно рассчитать по формуле: w2=w1 (UВых. — UBх. + 0,9)/(UВx — 0,5). Конденсаторы имеют следующие номиналы. С1: 10-100 мкф, 6.3 В. С2: 10-100 мкф, 16 В.

Транзисторы следует выбирать, ориентируясь на допустимые значения тока базы (он не должен быть меньше тока нагрузки!!! ) и обратного напряжения эмиттер — база (оно должно быть больше удвоенной разности входного и выходного напряжений!!! ) .

Модуль Чаплыгина я собрал для того, чтобы сделать устройство для подзарядки своего смартфона в походных условиях, когда смартфон нельзя зарядить от розетки 220 В. Но увы… Максимум, что удалось выжать, используя 8 батареек соединенных параллельно, это около 350-375 мА зарядного тока при 4.75 В. выходного напряжения! Хотя телефон Nokia моей жены удается подзаряжать таким устройством. Без нагрузки мой Модуль Чаплыгина выдает 7 В. при входном напряжении 1.5 В. Он собран на транзисторах КТ837К.

На фото выше изображена псевдокрона, которую я использую для питания некоторых своих устройств, требующих 9 В. Внутри корпуса от батареи Крона находится аккумулятор ААА, стерео разъем, через который он заряжается, и преобразователь Чаплыгина. Он собран на транзисторах КТ209.

Трансформатор T1 намотан на кольце 2000НМ размером К7х4х2, обе обмотки наматывают одновременно в два провода. Чтобы не повредить изоляцию об острые наружные и внутренние грани кольца притупите их, скруглив острые края наждачной бумагой. Вначале мотаются обмотки III и IV (см. схему) которые содержат по 28 витков провода диаметром 0,16мм затем, так же в два провода, обмотки I и II которые содержат по 4 витка провода диаметром 0,25мм.

Удачи и успехов всем, кто решится на повторение преобразователя! 🙂

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Как в 4 раза увеличить время работы устройств с автономным питанием / Хабр

История о том, как мы оптимизировали схему питания автономных датчиков сбора, обработки и передачи информации. Добились снижения себестоимости электроники, веса датчика и незначительно увеличили его габаритные размеры.

В статье описана эволюция схемы питания автономных датчиков сбора и обработки информации. Я постараюсь кратко рассказать о всех этапах усовершенствования схемы. Начну рассказ с разработки прототипа, соответствующего всем требованиям, кроме главного. Расскажу о попытке привести работу схемы к требованиям с минимальными усилиями, просто увеличив количество элементов питания. Опишу поиск и анализ причин несоответствия параметров схемы. В заключительной части приведу оптимизированную схему и сравнение до и после.

Надеюсь, мой опыт пригодится вам при разработке устройств с автономным питанием.

Я работаю в компании Uniscan Research. Мы делаем наукоёмкие приборы серийные продуктом. Эта статья — описание процесса оптимизации системы питания автономных устройств, разрабатываемых в рамках одного из наших проектов.

Для одного из крупных проектов нам нужно было разработать систему сбора и обработки информации, состоящую из небольших датчиков с автономным питанием, передающим собранные данные на пульт оператора по радиоканалу.

Ключевые требования к разрабатываемой системе — минимальный вес, минимальные размеры элементов, простая и быстрая установка на местности, высокая скорость и надежность доставки данных, доступные элементы питания и возможность их замены.

Исходные требования к системе питания

Одно из основных требований — время автономной работы в районе 240 часов, чтобы как можно реже возникала необходимость в замене элементов питания.

Приблизительная оценка потребляемой мощности была проведена на основании данных о потреблении других автономных устройств. Устройство, работающее от одного элемента питания АА на протяжении 240 часов, казалось вполне реализуемым.

Первоначальную оценку я провел так:

1. Оценим емкость коммерческих «батареек». Используем данные добросовестных исследователей. На графиках показаны эффективные емкости элементов питания при разряде разными токами. Синие колонки – емкость элементов питания при разряде минимальным, в проведенных испытаниях, током 200 мА. Емкость средней «батарейки» оценивается как 2500 мА*ч, для тока разряда 200 мА.
2. Оцениваем потребляемую мощность похожего устройства. Есть устройство, которое потребляет около 1 мА от 12В, что составляет 12мВт.
3. Рассчитываем время автономной работы устройства. Емкость «батарейки» оценили как 2500 мА*ч, номинальное напряжение 1.5В, таким образом, время работы при потреблении 12 мВт можно рассчитать:

Ток потребления = (Потребляемая мощность)/(номинальное напряжение)=12мВт/1.5В = 8 мА

Время автономной работы = (Емкость, мА*ч)/(ток потребления мА) = 2500 мА/ 8мА = 312 часов.

Не менее 300 часов. Вот так.

Специфика применения системы такова, что коммерческие щелочные элементы питания типоразмера АА, «пальчиковые батарейки», лучше всего подходили на роль основного элемента питания.Одна из основных причин выбора — такую батарейку можно купить в любом магазине мира.

Разработка прототипа схемы питания датчика

Осуществлять питание схемы датчика непосредственно от батарейки невозможно. Необходима разработка схемы питания для формирования нужных для электроники напряжений.

Для этого нам нужно определиться с входными и выходными напряжениями схемы и требуемой мощностью (током потребления).

Определить выходные напряжения просто:

• Для питания контроллера и всей периферии датчика требуется напряжение 3.3В.
• Для питания ВЧ усилителя радиомодема — 3.6В.

Ожидаемый ток потребления мы тоже можем предварительно оценить:

• Для общей шины питания 3.3В, в дежурном режиме, около 4-6 мА.

Определить напряжение на входе схемы тоже не сложно. Основной элемент питания – щелочная «пальчиковая батарейка»:

• Входное напряжение от 1 до 1.5В.

Вроде бы все получилось, но есть нюансы:

• Ток потребления радиомодема при передаче высокий. Подразряженая “батарейка” не способна мгновенно отдать значительную мощность. Напряжение на ней «просядет», из-за большого внутреннего сопротивления, устройство выключится. Нужен накопитель, который медленно запасает энергию, пока не происходит передачи по радиоканалу. А во время передачи обеспечивает необходимую мощность.
• Типоразмер элементов питания АА используется не только для щелочных «батареек». В таком же типоразмере выпускаются никель-металлгидридные аккумуляторы, литий-тионил-хлоридные элементы питания Saft. И даже Li-Ion аккумуляторы типоразмера 14500, что соответствует размеру АА. Такое разнообразие увеличивает диапазон входных напряжений. Полностью заряженный Li-Ion аккумулятор имеет выходное напряжение до 4.2В.

Чтобы система питания была совсем универсальна, она должна сохранять работоспособность в диапазоне входных напряжений от 1 до 4.2В.

Небольшой нюанс приносит серьезные усложнения в схему. Входное напряжение может оказаться как ниже выходного, так и выше, схема должна уметь и повышать напряжение и понижать. Отыскать подходящую микросхему, которая одновременно могла бы понижать и повышать напряжение, мне не удалось, из-за очень низкого входного напряжения в 1 В. Я разработал схему, которая повышала входное напряжение до промежуточного уровня 5В, а потом понижала до требуемого напряжения 3.3В.

Напряжение питания 3.3В питает все элементы схемы и специализированный преобразователь, заряжающий суперконденсатор до напряжения 4В. Конденсатор обеспечивает накопление энергии и обеспечивает питание радиопередатчика, при помощи buck-boost преобразователя.

С такой схемой питания были собраны прототипы датчиков. Программист разработал ПО для датчиков. После длительной отладки и ряда усовершенствований получились первые образцы устройств. Начались испытания.

Время непрерывной работы устройства от одного элемента питания АА «DuraCell TurboMAX» составило 33 часа. От «супер батарейки», литиевой «Energizer Ultimate Lithium» — 55 часов. Для обычного щелочного элемента питания время жизни оказалось в 10 раз меньше требуемого.

Переход на два элемента питания АА

Время непрерывной автономной работы необходимо было увеличивать. Самый простой путь – увеличить количество элементов питания. Требования к весу и габаритам были выдвинуты жесткие, поэтому увеличить количество элементов удалось только до 2 шт.

Увеличение количества элементов питания изменило требования к схеме питания. Элементы питания соединяются последовательно, а значит, входное напряжение удваивается. Было 1В — 4.2В, стало 2В – 8.4В.

Максимальное допустимое напряжение на входе разработанной схемы питания определяется входным преобразователем и составляет 5.5В. А значит, что схема питания не подходит для датчика или необходимо ограничить круг применимых элементов питания. Мы пошли по второму пути — отказались от Li-Ion аккумуляторов и литий-тионил-хлоридных элементов питания Saft. Быстро переработать схему питания не представлялось возможным.

Измерение времени работы датчиков от двух элементов питания без изменения схемы питания показали следующие результаты:

• От 2 элементов питания «Energizer Ultimate Lithium» те же устройства проработали около 120 часов.
• От 2 элементов питания АА «DuraCell TurboMAX» время работы составило около 70 часов.

Время непрерывной работы увеличилось в 2 раза, но все еще было неудовлетворительным.

Следующим шагом к увеличению времени автономной работы была оптимизация КПД схемы питания.

Измерение КПД преобразователей и общего КПД схемы питания

В рамках работ по оптимизации схемы питания я провел ряд исследований преобразователей, на которых построена схема.

Входной повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь построен на микросхеме LTC3422EDD Linear, в изначальной версии преобразователь формировал на выходе напряжение 5В:

Для преобразователя на базе LTC3422EDD я измерил зависимости КПД от тока нагрузки преобразователя при напряжении питания преобразователя 1.5В и 3.0В, для выходных напряжений 3.3В и 5В:

Зависимость КПД преобразователя от входного напряжения при постоянной нагрузке, P=50мВт, характерной для рабочего режима датчика, при выходном напряжении преобразователя 3.3В и 5В:

Исследование КПД повышающего преобразователя показывает, что использование двух элементов питания и снижение выходного напряжения преобразователя до 3.3В приводит к повышению КПД преобразователя на величину до 20% для характерной мощности потребления 50 мВт. При использовании 1 элемента питания и выходном напряжении 5В КПД составляет около 70% (красный график на рис. 1., выходной ток от 5 до 14 мА). При использовании 2 элементов питания и снижения выходного напряжения до 3.3В КПД достигает 89 % (синий график на рис. 2., выходной ток от 5 до 19 мА).

Также можно ожидать улучшения КПД во всем диапазоне работы элементов питания. Для одного элемента питания диапазон рабочего напряжения 0.9-1.5В. Наилучший КПД для свежего элемента питания, по графику рис. 3, составляет 69%. Тогда как худшее значение КПД, при использовании двух разряженных элементов питания с остаточным напряжением 1.1В+1.1В=2.2В, составит по графику рис. 3 около 79%. Для комплекта свежих элементов питания ожидаемый КПД до 84%.

Возрастает и нагрузочная способность преобразователя при использовании 2х элементов питания. Для одного элемента питания КПД значительно падает при потребляемом токе более 20 мА, тогда как при использовании 2х элементов питания преобразователь сохраняет высокое значение КПД при токе нагрузке более 100 мА.

Снижение выходного напряжения повышающего преобразователя до 3.3В увеличивает время непрерывной работы на 20%, за счет увеличения КПД преобразователя.

Снижение выходного напряжения также повышает нагрузочную способность преобразователя.

Так же, я оценил зависимость КПД от тока нагрузки преобразователя при снижении выходного напряжения до 3.3В:

При использовании 2 элементов питания и снижении выходного напряжения до 3.3В, достигается не только повышение КПД, но и повышение нагрузочной способности преобразователя более чем в 2 раза.

Понижающий преобразователь на 3.3В

Понижающий преобразователь построен на микросхеме LTC3406 Linear. В начальной версии преобразователь формировал на выходе напряжение 3.3В из промежуточного напряжения 5В:

Для преобразователя на базе LTC3406 я измерил зависимость КПД от тока нагрузки
при входном напряжении 5В.

Оценка КПД преобразователя, формирующего напряжение питания 3.3В, показала значение около 70 % при характерных для основного режима работы тока потребления 50 мВт.

Оценка общего КПД схемы питания

Для первоначального исполнения схемы питания оценку КПД получаем путем умножения КПД повышающего преобразователя и КПД преобразователя 3.3В.

Если использовать 2 элемента питания, снизить выходное напряжение повышающего преобразователя до 3.3В и исключить преобразователь, который формировал 3.3В до этого, КПД схемы питания будет равен КПД повышающего преобразователя:

**Получаем необходимые для оптимизации схемы действия:

• Использовать 2 элемента питания.
• Повышающий преобразователь перенастроить на выходное напряжение 3.3В.
• Исключить понижающий преобразователь.**

Оптимизированная схема питания

По результатам исследований я разработал упрощенную, но более оптимальную схему питания датчиков:

Два элемента питания, включенные последовательно, подключаются к повышающему преобразователю, который формирует напряжение питания 3,3В для питания всей электроники устройства. Специализированный преобразователь заряжает суперконденсатор, от которого питается ВЧ усилитель во время передачи по радиоканалу через преобразователя buck-boost.

Время непрерывной работы устройства увеличилось более чем в 2.5 раза и достигло приемлемого времени автономной работы 120 часов от обычных «пальчиковых батареек». При использовании литиевых элементов питания «Energizer Ultimate Lithium» время автономной работы достигло 200 часов.

Результаты оптимизации

По моему опыту, схема питания автономно работающих устройств — это всегда компромисс между требуемой функциональностью и временем автономной работы. Мне удалось в 4 раза увеличить время автономной работы через отказ от универсальности. Мы исключили дорогие и редкие элементы питания. При этом мы сохранили требование, которое считали важным — применяются элементы питания “из магазина”. Для получения большего времени автономной работы можно использовать более редкие и дорогие, но все равно легко доступные, коммерческие элементы питания.

Разработка уникальных устройств — это всегда оценка многих вариантов реализации. Найти компромисс между полнотой функционала, стоимостью, надежностью и сложностью технической реализации — главная задача инженера.

Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный — Учебное пособие по проектированию источника питания Раздел 5-1

Boost — вторая по распространенности неизолированная типология с точки зрения проданных и функционирующих устройств, во многом благодаря светодиодным драйверам, особенно для мобильных устройств. Повышение — это следующий логический шаг для анализа после окупаемости, и это второй из трех основных типов DC to DC.

Раздел 5-1 Повестка дня

• Объяснение повышения как «обратного понижения»
• Несинхронный vs.синхронные наддува
• Уравнения рабочего цикла
• Устройство и выбор повышающего индуктора
• Устройство и выбор входных конденсаторов

Для ясности, другое распространенное использование повышающего преобразователя — это источники питания переменного тока в постоянный для коррекции коэффициента мощности, и это требует полной и отдельной обработки. Когда я говорю из постоянного тока в постоянный, я имею в виду преобразователи с положительным входным напряжением, которое не движется вверх и вниз быстро.

Теперь надбавка — это не что иное, как возврат назад.Фактически, при тестировании экспериментальных баксов я иногда видел, как они случайно повышали собственное входное напряжение. Этот раздел начинается со схемы несинхронного повышения, дает уравнения для рабочего цикла в диапазоне входного напряжения постоянного тока, а затем сравнивает эту схему с синхронным повышением. Все более популярным становится то, что становится все более и более распространенным, как драйверы светодиодов, преобразователи постоянного тока в переменный, системы, работающие от солнечных батарей, и другие источники энергии.

После этих основ мы подробно рассмотрим уравнения для выбора повышающего индуктора, вычисляя его пик в наших массовых токах, и как выбрать фактические детали из каталога.Заключение к части 5-1, первой из трех для повышения, посвящено входным конденсаторам и способам расчета и выбора оптимальных устройств.

В большинстве схем источника питания входы находятся слева, а поток мощности направлен к нагрузке справа. Однако повышение — это немного больше, чем возврат назад, поэтому на мгновение представим, что V-in и V-out на этой схеме поменялись местами. Теперь это изменит D1 и Q1.Повышение — это доллар, идущий назад.

Давайте вернемся к нормальной схеме наддува. Ясно, что самая большая разница в том, что эта схема только увеличивает выходное напряжение по сравнению с входом, но есть еще одна важная практическая деталь. Элементы управления находились в точке Q1, привязанной к земле, и полевые МОП-транзисторы очень легко управлять, когда их источником является соединительная земля. Итак, единственная возможная конкуренция для этого NfeD — это биполярный транзистор PSP, который можно найти в некоторых монолитных частях. Когда переключатель нижних сторон является внешним, он почти всегда подходит к концу.

Еще одна замечательная особенность контроллеров для NfeD нижнего уровня и регуляторов с внутренними переключателями заземления — это то, что вы можете использовать их и для множества других топологий.

• Номинальное входное напряжение, В _IN , ex. 13,8 В для легковых автомобилей
  • Максимальное входное напряжение, В _IN-MAX , ex. 42В для сброса зажатой нагрузки
  • Минимальное входное напряжение, В _IN-MIN , ex.4,5 В для старт-стоп
• Максимальный выходной ток / максимальная нагрузка, I _O-MAX / R _O-MIN
• Номинальный рабочий цикл, D _NOM , при номинальном входном напряжении
  • Максимальный рабочий цикл, D _MAX , при минимальном входном напряжении
  • Минимальный рабочий цикл, D _MIN , при максимальном входном напряжении
• Многослойные керамические конденсаторы, MLCC
• Сопротивление постоянному току, DCR, индукторов
• Эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов ESR
• Преобразователь или регулятор: переключающая ИС по крайней мере с одним внутренним силовым полевым МОП-транзистором
• Контроллер: коммутационная ИС с внешним питанием MOSFET (-и)
• Модуль: управление переключением, силовые переключатели, индуктор и пассивные элементы в одном корпусе

Я изо всех сил стараюсь быть последовательным и использую одни и те же термины на протяжении всей серии веб-семинаров, но для многих функций и источников питания нет никаких заданных названий.Этот список предназначен для вас, если я что-то упомяну, а вы не уверены, что это такое.

, которые могут увеличивать восходящее напряжение, с гораздо большей вероятностью будут выходить за пределы максимального рабочего цикла, и всегда есть практические ограничения. В то время как понижающий стабилизатор имеет несколько вычислений, где наихудшие случаи при максимальном входном напряжении для повышения почти всегда являются минимальным входным напряжением, которое устанавливает наихудший случай.При V in-min у вас есть максимальный рабочий цикл, самый высокий пик в нашем массовом токе и всех компонентах силового тракта и, следовательно, самая большая тепловая нагрузка для всего.

В некоторых случаях прямое напряжение диода не имеет большого значения, но оно становится все более и более важным, если V-in и V-out довольно низкие. Если, например, вы повышаете напряжение с 2,5 В до 5 В, то добавленное падение напряжения на диоде 0,5 В будет очень важным.

Для цепей с высоким выходным током, обычно начинающимся выше трех ампер и особенно пяти ампер или более, замена выходного диода на MOSFED имеет большой смысл как с точки зрения эффективности, так и с точки зрения нагрева.Это те же уровни, которые я рекомендую для переключения с несинхронного понижающего на синхронный понижающий.

Есть несколько больших ударопрочных диодов и блоков питания, которые можно прикрепить болтами для тепловой синхронизации, но, учитывая тенденцию к миниатюризации почти всей электроники, диоды и TO-247 с громоздкой тепловой синхронизацией не очень привлекательны.

Сейчас самое время поговорить о большом недостатке регулятора наддува, будь он синхронным или нулевым. И перенапряжения на входе, и короткие замыкания на выходе невозможно остановить.Замкните выход этой цепи, и источник начнет прокачивать весь ток через проводник, который быстро насыщается и превращается в короткое замыкание.

Вы не можете перевернуть полевой МОП-транзистор по вертикальной оси, но восходящее напряжение смещает корпусный диод в прямом направлении и пытается вернуть ток на вход. То же самое и с входными напряжениями, превышающими выходное напряжение. Катушка индуктивности быстро становится немного больше, чем сопротивление постоянному току. Выходной диод или основной диод смещается в прямом направлении, и восходящее напряжение в конечном итоге становится равным входному напряжению за вычетом падения на диоде.

Эта реалистичная схема синхронного повышающего преобразователя показывает практические потребности в плавающем восходящем MOSFED, если это тип N. Для P-MOSFED потребуется этот зарядный насос или бутстрап, состоящий из D1 и C9. В этом случае в моей схеме использовались две последовательно соединенные литий-ионные батареи, а в качестве приложения использовался драйвер светодиода для воспроизведения в режиме экономии света. Это была максимальная эффективность, которую я искал, потому что вы не хотели бы защищать галактику и исчерпать все силы на полпути битвы с темной стороной.

Пора мне в чем-то признаться. Я исключил несколько практических элементов из уравнения рабочего цикла несинхронного повышающего преобразователя во всем диапазоне входного напряжения. Чтобы быть действительно точным, я должен был включить падение напряжения на управляющем элементе, падение напряжения на катушке индуктивности, падение напряжения на всех дорожках цепи и кабелях. Так что, если вы думаете, что это становится немного смешно, что ж, вы правы.Нет никакой практической ценности в оценке всех этих падений напряжения. Большинство из них незначительны по сравнению с V-in и V-out, а также с падением напряжения на внутреннем диоде Vd.

Для синхронных понижающих напряжений падение напряжения на управляющем MOSFED и восходящем MOSFED редко превышает 100 милливольт. И что я предпочитаю сделать, так это оценить КПД по мощности, а затем разделить уравнение идеального рабочего цикла на этот КПД. Вы можете подумать, как он может узнать КПД, прежде чем строить преобразователь. Ну, нет, но я опираюсь на предыдущие схемы, демонстрационные платы и опыт, чтобы оценить это.

Немного припоя теперь экономит много времени позже

Если вы уже смотрели предыдущие четыре раздела серии веб-семинаров, в которых говорилось о подготовке печатных плат к тестированию, то, пожалуйста, пропустите следующие слайды.

Насчет токовых пробников я не питаю иллюзий. Я знаю, что они очень дорогие и что многие мои зрители просто не могут себе их позволить. Я искренне считаю, что для проектирования источников питания требуется активный токовый пробник, который может измерять как постоянный, так и переменный ток, но я уверен, что многие из моих зрителей — не специализированные инженеры по источникам питания, а системные инженеры с менеджерами, которые этого не делают. Я не вижу выгоды потратить несколько тысяч евро на лабораторное оборудование.

Если у вас есть токовый пробник, вы хотите измерить ток индуктора, и это следует сделать, вставив петлю изолированного провода на тихой стороне индуктора. Это будет то место, где повышающая катушка индуктивности подключается к входному напряжению. Если вы поместите эту проволочную петлю с другой стороны индуктора, где он соединяется с коммутирующим узлом, вы только что создали красивую антенну, которая будет излучать больше электромагнитных помех.

Для напряжений я предлагаю разместить текстовые крепления, сделанные из разъединительных гнездовых разъемов с шагом 2,54 мм, в трех или четырех секциях.Отрежьте центральные контакты и припаяйте внешние контакты коммутирующего узла к земле, а также прямо напротив входных и выходных конденсаторов.

Правильная конструкция катушки индуктивности является краеугольным камнем хорошей конструкции повышающего напряжения, как и любого другого импульсного источника питания. Когда катушка индуктивности имеет надлежащую индуктивность и может выдерживать пиковые и среднеквадратичные токи во всем диапазоне V-in и V-out, особенно с учетом частоты цепи, все остальное стремится встать на свои места.

Этот почти идеальный треугольный ток индуктивности является хорошим индикатором того, что этот повышающий преобразователь, на самом деле повышающий преобразователь драйвера светодиода, работает правильно. Я включил форму волны восходящего тока, чтобы прояснить, что для повышающих преобразователей средний ток индуктивности всегда выше, чем средний выходной ток. Фактически, для бустеров средний входной ток такой же, как и средний ток катушки индуктивности.

Без сомнения, самое важное решение, которое необходимо принять, — это частота коммутации.Благодаря этому компромиссу при более высокой частоте уменьшается размер компонентов и стоимость не только катушки индуктивности, но и силовых конденсаторов. Но более высокая частота увеличивает несколько различных типов потерь, снижая энергоэффективность.

Средний ток в повышающем индукторе

Из этих двух выражений для оценки среднего входного тока, опять же, являющегося тем же значением, что и средний ток проводника, я предпочитаю то, что справа, потому что вы всегда знаете входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток.Если вашим клиентам нравится менять свое мнение на полпути к дизайну, что ж, это нормально. Вам просто нужно будет пересчитать.

Я показал все эти значения как номинальные, но вы помните, что мы обычно ищем наихудший случай и разрабатываем его, тогда верхний ток всегда должен быть максимальным ожидаемым током нагрузки, а входное напряжение должно быть минимальным значением. Фактически, уравнение справа позволяет легко понять, почему V-in min является наихудшим случаем. Чем он меньше, тем выше средние токи на входе и в катушке индуктивности.

Индуктивность и повышающий преобразователь выбираются таким же образом, как и в большинстве преобразователей постоянного тока с жестким переключением, и основываются на установке определенного соотношения между средним током и размахом пульсаций тока. В общем, пульсации от пика к пику, составляющие от 20 до 40% максимального входного тока, дают хороший компромисс между размером индуктора, который пропорционален весу и стоимости, и среднеквадратичными токами во всем преобразователе.

Мне лично потребовалось некоторое время, чтобы по-настоящему понять, почему токи RMS так важны. Основная причина — нагрев. Чем выше пульсация в любой заданной форме волны, тем выше среднеквадратичное значение, даже если среднее значение остается неизменным. Так, например, ничто не помешает вам разработать усилитель или любой другой переключатель с огромной катушкой индуктивности, излучающей пульсации всего лишь на 5% от пика к пику среднего значения. Но ваш менеджер по закупкам, вероятно, скажет резкие слова, поскольку большие индукторы стоят больших денег.Точно так же вы можете установить катушку индуктивности очень низкой мощности и иметь 100% пульсацию от пика до пика, но будьте готовы к горячим MOSDEF, поджаренным диодам и дымящимся конденсаторам.

Имейте в виду также, что DCM обычно возникает при низкой выходной мощности, поэтому в вызывном сигнале DCM не так много энергии. Фактически, DCM — это случай, когда ток пульсации индуктора составляет 200% от среднего, поскольку он полностью падает до нуля. Действительно маломощные усилители иногда предназначены для работы в DCM специально, поскольку вы действительно можете снизить индуктивность, а это делает крошечные и дешевые катушки индуктивности.Но общая тенденция заключается в том, чтобы оставаться в CCM и работать с высокой частотой, когда требуется небольшой размер.

Это второе уравнение индуктивности из двух слайдов назад более полезно, как показано здесь, измененное, чтобы указать, в какой момент преобразователь отменяет DCM. Даже синхронные бусты обычно отключают выходной FED, если ток пытается изменить направление, поэтому они тоже войдут в DCM при небольшой нагрузке. Это выражение полезно, если ваша нагрузка переключается между двумя известными состояниями.

Например, современный микроконтроллер может иметь активный режим, в котором он потребляет около одного усилителя, а затем так называемый спящий режим, в котором ток падает до 100 миллиампер. Цифровые нагрузки, как известно, быстро замедляются от низкого тока до высокого и обратно. И, как мы увидим позже, эти переходы происходят быстрее, если конвертер остается в CCM. Итак, в таком случае вы можете вернуться к уравнению L-min-2 и использовать для этого более высокую индукцию.

Всегда наступает момент, когда попытки поддерживать свой буст и CCM при очень малых нагрузках не имеют смысла, и это показано здесь на этом графике.Кривая является экспоненциальной, и при токах ниже 10 мА вам потребуются такие большие индукторы, что они будут, как мы часто в ответ в National Semiconductor шутили, похожими на якоря для лодок.

Уравновешивая потребности в CCM или DCM с требованиями к току пульсаций, мы теперь знаем, какая индуктивность необходима. Пора рассчитать токи. Во-первых, измените уравнение L-min-1, и это даст вам фактический ток пульсаций от пика до пика.Интересно отметить, что ток пульсаций на самом деле является более высоким от пика к пику при максимальном входном напряжении. Но поскольку наша цель — максимальный пиковый ток, мы рассчитываем его как Vin-min.

В большинстве случаев вы будете выбирать индуктор из существующего каталога деталей. Должны быть сотни производителей силовых магнитов, и есть около 10, которые я считаю мировыми. Одна из вещей, которая отличает истинного производителя катушек индуктивности или трансформатора высокого качества, — это их документация.Я хочу видеть отдельные спецификации как для тока насыщения, иногда называемого пиковым током, так и для среднеквадратичного тока, иногда называемого средним током.

При сортировке таблиц периметра онлайн я обычно начинаю с пикового тока или тока насыщения. Сердечник индуктора насыщается, когда плотность магнитного потока B перестает увеличиваться, даже если напряженность магнитного поля H увеличивается. Когда это происходит, индукция начинает падать. Хороший технический паспорт скажет вам, на какой процент падает индукция при заданном токе.Для действительно надежной конструкции выберите деталь, номинальный ток насыщения которой выше, чем предел пикового тока повышающего преобразователя. Иногда это фиксированное значение, обычно для монолитных частей, а иногда оно регулируется, как правило, в случае полевых МОП-транзисторов с внешним управлением.

После того, как я отфильтровал результаты параметрического поиска для всех частей, которые соответствуют моим потребностям в пиковом токе, я смотрю на текущие рейтинги RMS.Поскольку RMS — это расчет, основанный на том, сколько происходит нагрева, имеет смысл указать пределы RMS, основанные на повышении температуры. Не существует стандартов, чтобы сказать, что это за повышение температуры и как оно проверяется. Опять же, у хороших производителей есть много сносок, поскольку вы можете видеть, что здесь объясняются эти ограничения.

Если вы выберете катушку индуктивности с классом RMS, превышающим максимальный входной ток, то в большинстве случаев можно ожидать, что повышение температуры будет меньше или равно указанному значению.

В разделах 2-1 и 2-2 этой серии вы слышали, что я уделял довольно много времени входным конденсаторам для понижающих преобразователей. Для бустеров входная емкость менее важна, потому что повышающая катушка индуктивности всегда подключена к входу, и она снижает необходимую емкость, при этом значительно снижая среднеквадратичные токи на входных конденсаторах.

Этот график был снят с резистором 0612, сопротивлением 10 миллиом, установленным последовательно с двумя входными конденсаторами MLCC, но это все еще нарушало работу преобразователя.Я надеялся, что повышающий преобразователь будет вести себя немного лучше, чем понижающий, когда попробовал это, но этого не произошло. Вы можете отчетливо увидеть изоляцию субгармоник на всех трех сигналах. На нескольких слайдах я объясню, почему это происходит. Это явление известно как «взаимодействие источников питания».

Если вы хотите проверить токи и входные конденсаторы, выходные конденсаторы или переключатели питания, я предлагаю сделать это с помощью моделирования, чтобы преобразователь действительно работал правильно.Но при моделировании важно помнить об этом. Этот в LTspice — хороший пример. По умолчанию источники напряжения в LTspice имеют выходной импеданс, близкий к нулю, поэтому они могут подавать бесконечный ток с бесконечной частотой. Я очень хочу, чтобы они существовали в реальной жизни.

Если серьезно, я предлагаю добавить некоторую индуктивность и сопротивление, возможно, 100 нГн и 10-15 миллиом, чтобы источник был более реалистичным и чтобы эти входные конденсаторы действительно работали. Помните, что их задача — обеспечить как можно больше переменного тока.

Расчетные уравнения входного конденсатора

Минимальная входная емкость рассчитывается на основе максимальной пульсации входного напряжения. Катушка индуктивности гарантирует, что эта пульсация будет намного ниже, чем она была бы для понижающего, понижающего повышения или обратного хода. Все это топологии с прерывистыми входными токами.

Одно примечание. Множитель восемь в знаменателе обусловлен треугольной формой волны, в отличие от двух Пи, которые были бы для синусоиды.

Все больше и больше источников питания постоянного тока используют блоки чисто многослойных керамических конденсаторов или MLCC. Низкое значение ESR и низкий ESL в сочетании с допуском по высокому среднеквадратичному току делают MLCC почти идеальными, но у них есть заметный недостаток. Потеря емкости при смещении постоянного тока. 7,2 В — это номинальное входное напряжение для энергосберегающего драйвера, и я мог бы использовать MLCC с номиналом 10 или 16 В, но я выбрал часть 10 micro-FED, рассчитанную на 25 В, а затем размер корпуса 12-10, потому что более высокое напряжение номинальные характеристики и больший физический размер обратно пропорциональны потерям емкости в зависимости от напряжения.

На первый взгляд, этот высокочастотный звон, также известный как шипы или технически как шум PARD, выглядит очень плохо на желтой дельта-кривой VN. Но это всего лишь 200 милливольт на вертикальное деление, тогда как переключающий узел колеблется вверх и вниз на 34 вольта. Если бы входные конденсаторы были идеальными и идеальными, то входной ток, отмеченный розовым цветом, был бы чисто постоянным. Это непрактично для реальных схем.Входные фильтры необходимы для получения достаточно низкой пульсации I-in, чтобы соответствовать стандартам EMI, таким как CISPR 25, используемым для автомобильных приложений, и именно там, вероятно, можно найти драйвер светодиода с входом 12 вольт.

Если вы уже видели раздел 2-1 этой серии веб-семинаров, не стесняйтесь пропустить этот слайд и фактически следующие три. В противном случае на практике, если у вас есть только MLCC и их длинные входные индуктивные выводы, тогда формируется входной LC-фильтр второго порядка.Звучит хорошо, правда? Проблема в том, что у этого фильтра очень высокое значение добротности. Другой способ заявить об этом состоит в том, что входной фильтр, состоящий из входных выводов и MLCC, имеет очень и очень маленькое демпфирование. Любой небольшой переходный процесс заставит его окунуться или звенеть. То же самое может произойти, если в вашем регуляторе наддува есть настоящая дискретная катушка индуктивности входного фильтра.

Как показано на второй диаграмме, вам нужно быть осторожным с входным фильтром с более высоким выходным сопротивлением ZS и входным сопротивлением импульсного регулятора отрицательным Zin.

Причина, по которой нас беспокоит этот отрицательный входной импеданс, связана с колебаниями на входе, звоном или тем, что я называю взаимодействием с источником питания. Это то, что вы видели на слайде «Входные конденсаторы».

Если выходной импеданс или входной импеданс ES фильтров равен абсолютному значению входного импеданса преобразователя, то теоретически система может звонить до бесконечности вольт. На практике, когда выходной импеданс фильтра выше Zin, в системе может возникать соприкосновение.Вот почему я даю расчет Зин-мин, чтобы мы знали худший случай.

Неудивительно, что наихудший случай — это когда VIN равен минимуму, а верхняя мощность — максимуму. Последовательный резистор, добавленный, когда я сделал снимок осциллографа для слайда 21, имел достаточное сопротивление и индуктивность, чтобы увеличить выходное сопротивление ES, и это толкнуло систему в колебания.

В разделе 2-1 этой серии веб-семинаров, где я рассмотрел различные конденсаторные технологии, я сказал, что алюминиевый электролитический конденсатор еще не умер.Оказывается, алюминиевые электролитические конденсаторы с их высокой емкостью на единицу объема, высоким ESR и низкой стоимостью идеально подходят для демпфирования LC-фильтров. Большой алюминиевый корпус с потерями, параллельный MLCC на входе, творит чудеса в области генерации входных сигналов. Обратите внимание, что емкость 4X для демпфирования была впервые предложена доктором Миддлбруком, одним из великих имен в силовой электронике.

Когда я провожу печатную плату для схемы, которая, как я знаю, имеет длинные входные выводы, я часто размещаю посадочное место для резистора последовательно с демпфирующим конденсатором.Таким образом, если по какой-либо причине электролитическая крышка, которая в остальном идеальна, не имеет достаточного СОЭ, я могу просто незаметно добавить, сколько бы я ни захотел.

В этом уравнении для коэффициента демпфирования дельта RS — это сопротивление входных проводов, а RDN — это любой дискретный резистор, включенный последовательно с демпфирующим конденсатором. Еще несколько советов по демпфированию входного фильтра.

1. Если вы разрабатываете источник питания для очень высокотемпературной среды и беспокоитесь о том, что даже электролит хорошего качества будет опробован, вы также можете использовать полимерный алюминий, полимерный тантал или даже большой набор параллельных MLCC с сдержанный последовательный резистор.Я не рекомендую сухой тантал, потому что они могут быть чувствительны к обратным токам и взорваться.
2. Фактически вы можете ослабить LC-фильтр, разместив разветвление параллельно катушке индуктивности с индуктивностью в четыре-пять раз больше и дискретным резистором, но это обычно бывает дорогим и громоздким. Обычно я делаю это только для определенных входных фильтров в некоторых приложениях переменного тока в постоянный.
3. Вероятно, вы не увидите никакой разницы в пульсации входного напряжения от пика к пику после добавления демпфирующего колпачка, потому что он не очень емкостный на частоте переключения, но вы увидите хорошее улучшение падения входного напряжения из-за низких переходных процессов.

Для преобразователей постоянного тока в постоянный на входе используются два типа конденсаторов: MLCC, которые уменьшают пульсации от пика к пику на частоте переключения, и конденсаторы объемного типа. Это почти все остальное, и они используются для демпфирования входа и для реакции на низкочастотные события.
Подробное описание различных типов конденсаторов большой емкости можно найти в разделе 2-1 этой серии.

Это также повторение части второй, веб-семинара по доллару, так что пропустите его, если вы его уже видели.В противном случае я хотел бы упростить свой анализ конденсаторных батарей, используя смесь объемных конденсаторов и конденсаторов MLCC, сначала сгруппировав все объемные конденсаторы в одно устройство. Это при условии, что параллельно используется более одного массового ограничения. Затем я делаю то же самое с MLCC.

Я не забочусь о том, чтобы включать малые или маломощные MLCC, эти устройства на 100 нФ или 1 мкФ, поскольку они редко вносят какой-либо вклад в общую емкость.

Вычисление и вычисление разделения входного тока RMS в повышающих преобразователях, преобразователях SEPIC или дросселях в большинстве случаев требует тщательности.Это потому, что все эти топологии имеют на входе катушку индуктивности, которая предотвращает перегрев входных конденсаторов более сильным током МС.

Просто взглянув на уравнение для нашего тока MS, вы увидите, что он будет довольно низким. Квадратный корень из 12 составляет около 3,5. Так что возьмите уже контролируемую пульсацию тока проводника и уменьшите ее в 3,5 раза. В любом случае я все же рекомендую всегда рассчитывать среднеквадратичные токи в каждом силовом конденсаторе, особенно в алюминиевых, полимерных и танталовых конденсаторах, потому что это почти всегда самые короткоживущие компоненты в системе, самое слабое звено в цепи.

Я вернулся к упрощенному моделированию, чтобы проверить распределение тока пульсаций между моим корпусом и керамическими входными крышками. Имейте в виду, что фактическое разделение тока будет передавать меньше тока на объемные конденсаторы, потому что их конденсаторы на частоте переключения обычно немного разряжаются.

Этот пример — 600-килогерцовый входной каскад для моего устройства экономии энергии, и ни один объемный конденсатор, о котором я знаю, не был бы очень емкостным на этой частоте.LTspice позволяет программировать зависимости емкостных потерь от частоты, но это трудоемкий процесс, требующий измерителя LCR, к которому многие лаборатории не имеют доступа. Вместо этого я смотрю на график LTspice с идеальными конденсаторами, и если разделение тока сохраняет ток брони конденсаторов большой емкости на хорошем и низком уровне, опять же, вот оно, то я счастлив. Я знаю, что у меня хороший инженерный запас.

В разделе 5-2 продолжается обсуждение компонентов силовой передачи понижающего преобразователя, начиная с множества деталей, касающихся выходных конденсаторов.Мы рассмотрим уравнения, основанные на пульсации напряжения на установившейся стадии, а затем уравнения, основанные на реакции на более низкие переходные процессы. Затем подробно обсуждаются текущие расчеты RMS, поскольку эти элементы часто подвергаются злоупотреблениям RMS. Раздел 5-2 затем переходит к управляющему полевому МОП-транзистору, а именно к различным типам потерь. Наконец, последняя часть силовой передачи, выходной диод, исследуется, исследуя варианты упаковки и потери мощности.

Как работают повышающие преобразователи | Проекты самодельных схем

Однако процесс всегда сохраняет соотношение P = I x V, что означает, что по мере того, как на выходе преобразователя увеличивается входное напряжение, на выходе пропорционально уменьшается ток, что приводит к тому, что выходная мощность почти всегда равна входная мощность или меньше входной мощности.

Как работает повышающий преобразователь

Катушка индуктивности здесь в основном используется для повышения напряжения, а конденсатор используется для фильтрации флуктуаций переключения и уменьшения пульсаций тока на выходе преобразователя.

Входной источник питания, который может потребоваться увеличить или увеличить, может быть получен от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, двигатели, генераторы и т. Д.
Принцип работы

Индуктор в повышающем преобразователе играет важную роль. увеличения входного напряжения.

Ключевой аспект, который становится ответственным за активацию повышающего напряжения от катушки индуктивности, связан с его присущим ему свойством сопротивляться или противодействовать внезапно индуцированному току через него, а также из-за его реакции на это с созданием магнитного поля и последующим разрушением магнитное поле. Разрушение приводит к высвобождению накопленной энергии.

Этот процесс, описанный выше, приводит к сохранению тока в катушке индуктивности и отбрасыванию этого сохраненного тока на выходе в виде обратной ЭДС.

Схема драйвера релейного транзистора может считаться отличным примером схемы повышающего преобразователя. Обратный диод, подключенный к реле, вводится для короткого замыкания обратной обратной ЭДС от катушки реле и для защиты транзистора всякий раз, когда он выключается.

Если этот диод удалить и диодный конденсаторный выпрямитель подключен к коллектору / эмиттеру транзистора, повышенное напряжение с катушки реле может быть собрано на этом конденсаторе.

Процесс в конструкции повышающего преобразователя дает выходное напряжение, которое всегда выше входного.

Конфигурация повышающего преобразователя

Когда показанное устройство (которое может быть любым стандартным силовым BJT или МОП-транзистором) является При включении ток от входного источника питания поступает в катушку индуктивности и течет по часовой стрелке через транзистор, завершая цикл на отрицательном конце входного источника питания.

Во время вышеупомянутого процесса индуктор испытывает внезапное введение тока через себя и пытается сопротивляться притоку, что приводит к накоплению некоторого количества тока в нем за счет генерации магнитного поля.

В следующей последовательности, когда транзистор выключен, проводимость тока прерывается, снова вызывая внезапное изменение уровня тока на катушке индуктивности. Катушка индуктивности реагирует на это, отбрасывая или высвобождая накопленный ток. Поскольку транзистор находится в положении ВЫКЛ, эта энергия проходит через диод D и через показанные выходные клеммы в виде напряжения обратной ЭДС.

Катушка индуктивности выполняет это, разрушая магнитное поле, которое было создано в ней ранее, когда транзистор находился в режиме включения.

Однако вышеупомянутый процесс высвобождения энергии реализуется с противоположной полярностью, так что входное напряжение питания теперь становится последовательным с напряжением обратной ЭДС индуктора. И, как мы все знаем, когда источники питания соединяются последовательно, их сетевое напряжение складывается, чтобы получить больший общий результат.

То же самое происходит в повышающем преобразователе во время режима разряда катушки индуктивности, создавая выходной сигнал, который может быть объединенным результатом напряжения обратной ЭДС катушки индуктивности и существующего напряжения питания, как показано на диаграмме выше.

Это объединенное напряжение приводит к повышению выход или повышенный выход, который проходит через диод D и конденсатор C, чтобы в конечном итоге достичь подключенной нагрузки.

Конденсатор C играет здесь довольно важную роль, во время режима разряда катушки индуктивности конденсатор C накапливает в нем высвобожденную объединенную энергию, а во время следующей фазы, когда транзистор снова выключается, а катушка индуктивности находится в режиме накопления, конденсатор C пытается поддерживать равновесие, поставляя нагрузке свою накопленную энергию. См. Рисунок ниже.

Это обеспечивает относительно стабильное напряжение для подключенной нагрузки, которая может получать питание как в периоды включения, так и в периоды выключения транзистора.

Если C не включен, эта функция отменяется, что приводит к снижению мощности нагрузки и снижению эффективности.

Вышеописанный процесс продолжается, когда транзистор включается / выключается с заданной частотой, поддерживая эффект повышающего преобразования.

Режимы работы

В непрерывном режиме ток катушки индуктивности никогда не должен достигать нуля во время процесса разрядки (пока транзистор выключен).

Это происходит, когда время включения / выключения транзистора рассчитано таким образом, что индуктор всегда быстро подключается обратно к входному источнику питания через включенный транзистор, прежде чем он сможет полностью разрядиться через нагрузку и конденсатор. C.

Это позволяет катушке индуктивности постоянно генерировать повышающее напряжение с эффективной скоростью.

В прерывистом режиме время включения транзистора может быть настолько большим, что катушка индуктивности может полностью разрядиться и оставаться неактивной между периодами включения транзистора, создавая огромные пульсации напряжения на нагрузке и конденсаторе. С.

Это может сделать выход менее эффективным и с большим количеством колебаний.

Лучшим подходом является вычисление времени включения / выключения транзистора, которое дает максимально стабильное напряжение на выходе, что означает, что нам нужно убедиться, что катушка индуктивности переключается оптимальным образом, чтобы она не включалась слишком быстро, что может не позволить этого. для оптимальной разрядки и не включать его слишком поздно, что может привести к неэффективной разрядке.

Расчет индуктивности, тока, напряжения и рабочего цикла в повышающем преобразователе

Пока транзистор находится во включенной фазе, входное напряжение источника (

ΔIL / Δt = Vt / L

К тому времени, когда состояние ВКЛ транзистора вот-вот перейдет, и транзистор вот-вот выключится, предполагаемый ток накопление в катушке индуктивности можно определить по следующей формуле:

ΔIL (on) = 1 / L 0ʃDT
или
Vidt = DT (Vi) / L

Где D — рабочий цикл. Чтобы понять его определение, вы можете обратиться к нашему предыдущему посту, связанному с понижающим преобразователем.

L обозначает значение индуктивности катушки индуктивности в Генри.

Теперь, когда транзистор находится в выключенном состоянии, и если мы предположим, что диод предлагает минимальное падение напряжения на нем, а конденсатор C достаточно большой, чтобы обеспечивать почти постоянное выходное напряжение, тогда выходной ток (

Vi — Vo = LdI / dt

Кроме того, изменения тока (

ΔIL (выкл.) = 1 / L x DTʃT (Vi — Vo) dt / L = (Vi — Vo) (1 — D) T / L

Предполагая, что преобразователь может работать в относительно устойчивых условиях , величина тока или энергии, накопленной внутри катушки индуктивности в течение цикла коммутации (переключения), может считаться постоянной или с одинаковой скоростью, это может быть выражено как:

E = ½ L x 2IL

выше также означает, что, поскольку ток на всем протяжении период коммутации или в начале состояния ВКЛ и в конце состояния ВЫКЛ должны быть идентичными, их результирующее значение изменения текущего уровня должно быть нулем, как указано ниже:

ΔIL (вкл) + ΔIL (выкл.) = 0

Если мы подставим значения ΔIL (вкл.) И ΔIL (выкл.) В приведенную выше формулу из предыдущих вычислений, мы получим:

ΔIL (вкл.) — ΔIL (выкл.) = Vidt / L + (Vi — Vo) (1 — D) T / L = 0

Дальнейшее упрощение дает следующий результат: Vo / Vi = 1 / (1 — D)

или

Vo = Vi / (1 — D)

Вышеприведенное выражение четко указывает на то, что выходное напряжение в повышающем преобразователе всегда будет выше, чем входное напряжение питания (во всем диапазоне рабочего цикла, от 0 до 1)

Перестановка членов По сторонам в приведенном выше уравнении мы получаем уравнение для определения рабочего цикла в рабочем цикле повышающего преобразователя.

D = 1 — Vo / Vi

Приведенные выше оценки дают нам различные формулы для определения различных параметров, задействованных в работе повышающего преобразователя, которые можно эффективно использовать для расчета и оптимизации точной конструкции повышающего преобразователя.

Расчет ступени мощности повышающего преобразователя