1.2.1.Принцип действия и вольтамперная характеристика (вах) диода

1.2.2. Виды диодов

1.3. Биполярные транзисторы

1.3.1. Принцип действия транзистора.

1.3.2.Статические вах транзистора

1.4. Униполярные (полевые) транзисторы.

1.4.1. Полевые транзисторы с p-n переходом.

1.4.2. Мдп - транзисторы.

1.5. Тиристоры

1.5.1. Классификация тиристоров

1.5.2. Принцип работы диодного тиристора

1.5.3. Принцип работы триодного тиристора.

2. Усилители

2.1.Назначение и классификация усилителей

2.2. Принцип построения усилительных каскадов.

2.3. Усилительный каскад с общим эмиттером.

2.4. Многокаскадные усилители с конденсаторной связью.

2.5. Усилители мощности.

2.5.1 Усилитель мощности класса а с трансформаторным включением нагрузки (рисунок 2.6)

2.5.2. Двухтактный усилитель мощности (рисунок 2.7)

2.6. Усилители с обратной связью

2.7.Усилители постоянного тока (упт)

2.8. Операционные усилители (оу).

2.8.1. Инвертирующий усилитель (рисунок 2.19)

2.9.1. Компараторы. Триггер Шмитта

2.9.2. Мультивибраторы

2.9.3. Одновибраторы

3. Выпрямители

3.1. Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель с нулевым выводом.

3.2.1. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.

3.2.2. Работа выпрямителя при активно-ёмкостной нагрузке

3.3. Однофазный мостовой выпрямитель

3.4. Мостовой выпрямитель с нулевой точкой трансформатора

3.5. Трёхфазный выпрямитель с нулевым выводом

3.6. Трёхфазный мостовой выпрямитель

3.6. Управляемый выпрямитель однофазного тока

4. Коммутация однооперационных тиристоров

4.1. Узлы параллельной коммутации.

4.2. Узлы последовательной коммутации

5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения

5.1. Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

5.2. Иппн с параллельной коммутацией и коммутирующим контуром, подключаемым параллельно силовому тиристору

5.3. Иппн с последовательной коммутацией

6. Инверторы.

6.1. Автономные инверторы тока (аит)

6.1.1. Однофазный параллельный инвертор тока.

6.1.2. Трехфазный параллельный аит

6.2. Автономные резонансные инверторы (аир).

6.2.1. Последовательный аир

6.2.2. Последовательный аир со встречными диодами.

6.3. Автономные инверторы напряжения.

6.3.1. Способ формирования выходного напряжения инвертора в виде импульсов чередующейся полярности и одинаковой длительности.

6.3.2. Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения инвертора.

6.3.2.1. Шир с зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения.

6.3.2.2. Шир с не зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения.

6.3.3. Формирование кривой выходного напряжения инвертора с уменьшенным содержанием гармонических.

7. Оптоэлектроника

7.2. Фотоприёмники.

2.Фотодиоды.

3. Фототранзисторы (рисунок 7.8).

4. Фототиристоры.

7.3. Световоды и простейшие оптроны

8. Цифровая техника

8.1.Аксиомы, законы, тождества и теоремы алгебры логики

8.2. Логические элементы на диодах и биполярных транзисторах.

8.2.1. Логический элемент или.

8.2.2. Логический элемент и.

8.2.3. Логический элемент не.

8.2.4. Логический элемент или-не.

8.2.5. Логический элемент и-не.

8.3. Параметры логических элементов.

8.4.Логические элементы на полевых транзисторах.

8.4.1. Логический элемент не.

8.4.2. Логический элемент или-не.

8.4.3.Логический элемент и-не.

5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Рисунок 5.1

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением U Н, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать U н при изменении Е и тока нагрузки или изменять U н по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью t и и паузой t п (рисунок 5.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения U н.

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

5.1. Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t и при неизменном периоде их следования T=const;
. Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

, (5.1)

где
- коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (t и =0; γ=0) до Е (t и =T; γ=1).

Рисунок 5.2

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов
при неизменной их длительности t и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением:
(5.2)

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению
.

Совместное применение ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов t и и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 5.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Z н активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель L ф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г - образный LC фильтр. Диод VD 0 предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t 1 -t 2 , t 3 -t 4 , t 5 -t 6 напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра, U вых =Е, диод VD 0 закрыт. Через нагрузку протекает ток i н по цепи (+Е)-К- L ф -Z н –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t 2 -t 3 , t 4 -t 5 связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем L ф и индуктивностью нагрузки L н и замыкается через VD 0 вследствие чего U вых =0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя L ф и подводящих проводом U н =U вых, определяется средним значением U вых (t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток i н состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени
. Среднее значение тока
.

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами, и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.

Это устройство, призванное из напряжения одного уровня получить одно или несколько напряжений другого уровня. Иногда это бывает совершенно необходимо в нашей практике, например если мы конструируем устройство с низковольтным питанием от Li-Ion аккумулятора а в схеме этого устройства есть операционные усилители, требующие питания от двухполярного источника ∓ 15В. Или другой пример. Предположим нам нужно питать устройство на микроконтроллере с номинальным напряжением 5 вольт от литий ионного аккумулятора. В этом и подобных случаях на разработчику приходится использовать преобразователи постоянного напряжения.

В этой статье речь пойдет об импульсных преобразователях, имеющих очевидные преимущества, главное из которых - высокий КПД. Импульсные преобразователи нпаряжения - это очень широкий класс устройств. Они могут быть стабилизированные или нестабилизированные, с гальванической развязкой входа от выхода или без таковой. также преобразователи можно разделить на повышающие, понижающие и инвертирующие (например преобразователь, который, питаясь от напряжения +5В дает на выходе напряжение -5В)

Сейчас производители электронных компонентов выпускают большой ряд специальных микросхем для использования в приложениях DC-DC. Преобразователи, собранные на таких чипах имеют стабильные характеристики и высокую надежность. тем не менее импульсный преобразователь можно собрать и на обычных дискретных транзисторах. В этой статье приводятся несколько очень простых схем, которые можно использовать для решения несложных конструкторских задач.

Очень распространенная микросхема MAX232 служит для преобразования интерфейса UART в сигналы стандарта интерфейса RS232. В составе этой микросхемы уже есть встроенные преобразователи напряжения, которые мы можем использовать в своих корыстных целях.

Схема 1. Необычное использование микросхемы MAX232

такой преобразователь может обеспечить напряжение ∓ 9В при небольшом токе 5..8 мА. Такой преобразователь можно использовать для питания одного - двух операционных усилителей. основное преимущество - это простота. Целесообразно применять эту схему если что-то нужно сделать быстро, а под рукой нет ничего кроме микросхемы MAX232

Схема 2. Простой нестабилизированный преобразователь на двух транзисторах

Одна из самых простых схем. параметры такого преобразователя зависят от параметров используемых транзисторов, частоты преобразования и характеристик трансформатора. Схема, изображенная на рисунке работает на частоте около 50 кГц.

Трансформатор T1 - самодельный. Его можно намотать на ферритовом кольце из материала 2000НМ размером 10х6х4. первичная обмотка состоит из 20 витков с отводом от середины. Вторичная - 140 витков также с отводом от середины. Диаметр провода - не менее 0.2 мм. Транзисторы можно заменить на BC546 или другие. если к преобразователю не подключена нагрузка, он практически не потребляет ток от источника питания. В этом одно из его преимуществ (кроме простоты).

Схема 3. Простой нестабилизированный преобразователь - мультивибратор.

Следующая практическая схема - это двухтактный преобразователь на четырех транзисторах. сердцем схемы является обычный мультивибратор на двух транзисторах VT1 и VT2.

Драйверами для обмоток импульсного трансформатора служат транзисторы VT3 и VT4. Ко вторичной обмотке импульсного трансформатора подключен однополупериодный выпрямитель на диоде VD3. Пульсации выходного напряжения сглаживаются конденсатором C3. Выходное напряжение этого преобразователя можно менять в широких пределах изменением числа витков вторичной обмотки трансформатора.

Схема 4. Стабилизированный преобразователь на двух транзисторах.

Интересная схема, позволяющая питать от низковольтного источника (например от одного щелочного элемента 1.5 В.) например, небольшое устройство на микроконтроллере, требующем питания 5 В. Схема пытается поддерживать на выходе постоянное напряжение около 4.7 В. Сигнал обратной связи снимается с резистора R2 и подается на базу первого транзистора VT1. трансформатор Т1 можно намотать на ферритовом кольце диаметром 7 мм. Обе обмотки одинаковые, по 20 витков провода диаметром 0.3 мм. Можно намотать обмотки в два провода. При подключении необходимо учитывать начало и конец обмоток. Если ошибиться, то преобразователь не заработает. В этом случае поменяйте местам провода одной из обмоток. Катушка L1 - любой дроссель с индуктивностью в районе 10 мкГн. Дроссель можно использовать промышленный или намотать самому. Измерить индуктивность можно с помощью вот этого недорогого прибора . Дроссель совместно с конденсатором C3 сглаживает пульсации выходного напряжения.

Этот довольно качественный и удобный преобразователь построен на основе специализированной микросхемы от компании MAXIM. Можно применить для получения напряжения +12 вольт в устройстве, работающем от единственного источника питания с напряжением от 3 до 5 вольт. Дроссель L1 можно намотать на небольшом ферритовом кольце или на маленьком ферритовом стержне. Индуктивность катушек удобно измерять вот эти приборчиком . Схема обеспечивает на выходе ток 120 мА. Микросхему MAX734 .

Схема 5. Очень простой преобразователь на специализированном чипе.

Еще один DC-DC преобразователь с использованием микросхемы от MAXIM. Главное преимущество - исключительная простота и неприхотливость этой схемы. В устройстве всего 4 детали, включая микросхему МАХ631 . Главное и очевидное предназначение такого преобразователя - питание схемы, рассчитанной на 5 В. от источника с более низким напряжением 3.2 вольта. Например от одного Li-Ion аккумулятора.

Схема 6. Стабилизированный DC-DC преобразователь с двухполярным выходом ∓ 12 В

Эта очень полезная схема может пригодиться если в вашей конструкции есть только один источник питания 4..5 вольт, но вам необходимо использовать компоненты, требующие двухполярного питания. например операционные усилители (ОУ). Сердцем преобразователя является микросхема LM2587-12. Импульсный трансформатор можно реализовать на ферритовом кольце или на броневом сердечнике. Индуктивность первичной обмотки должна быть около 22 мкГ (измерить можно этим прибором), а отношение чисел витков первичной обмотки к вторичным = 1:2.5. То есть, например, индуктивность 22 мкГ на сердечнике который есть у вас в наличии получается при числе витков 50. Тогда число витков каждой из вторичных обмоток буде 2.5 * 50 = 125

Схема 7. Стабилизированный DC-DC преобразователь на два разных напряжения

Если в вашей конструкции есть цифровые микросхемы с напряжением питания как 5 так и 3.3 В то может пригодиться этот преобразователь. Схема работает от напряжения в районе 3 В и позволяет получить на выходе напряжения 3.3 и 5 В. Ток нагрузки по каждому выходу может достигать 150 мА. Как видим из схемы, в устройстве применяются 2 микросхемы MCP1252 от компании MICROCHIP

Схема 8. DC-DC преобразователь на два разных напряжения на микросхемах компании YCL Elektronics

DC-DC преобразователи на разные напряжения можно собрать на чипах, которые выпускает компания YCL Elektronics. В данном случает это микросхемы DC-102R в канале минус 5 В и DC-203R в канале +12 В. По выходу -5 В ток нагрузки может достигать 360 мА. По выходу +12 В ток меньше - 150 мА.

Схема 9. DC-DC повышающий преобразователь на MAX1724EZK33

Этот DC-DC преобразователь на микросхеме

Широко распространённые в повседневной практике преобразователи напряжения – это специализированные устройства, предназначенные для корректировки размаха и частоты выходного питающего напряжения. Электронные системы этого типа позволяют регулировать выходные параметры (включая частоту выходного напряжения).

Необходимость в их применении возникает в том случае, когда приходится подключать устройства с нестандартными входными характеристиками. Преобразовательные схемы могут выполняться в виде самостоятельного блока либо интегрироваться в действующую систему бесперебойного питания. Эти приборы пользуются повышенным пользовательским спросом, а также широко применяются для решения отдельных производственных задач.

Конструкция

Для изменения уровня действующего напряжения питания чаще всего применяются специализированные импульсные преобразователи со встроенными в них индуктивными схемами. В соответствии со стоящей перед ними задачей, все известные модели преобразовательных устройств делятся на следующие классы:

Инвертирующие схемы;
Повышающие электронные агрегаты;
Понижающие преобразователи.

Независимо от вида этих устройств, все они работают по одному и тому же принципу, обеспечивая требуемую функциональность и качество формируемых сигналов. Одинаковость устройств этого класса чаще всего выявляется по следующим характерным признакам:

Наличие собственного модуля питания;
Входящие в состав схемы элементы коммутации, представленные мощными полупроводниковыми транзисторами;
Накопители энергии в виде отдельного дросселя или катушки;
Фильтрующие конденсаторы, подключаемые в параллель нагрузочному сопротивлению;
Специальные диоды, используемые в качестве блокирующего элемента.

Применение всех перечисленных выше элементов в нужных сочетаниях предоставляет возможность получения любой из известных категорий импульсных устройств.

Принцип действия

В основу работы импульсных преобразователей заложен принцип регулировки уровня сигнала путём изменения ширины импульсов, управляющих работой коммутирующего элемента.

Обратите внимание! Этот метод электронного управления параметрами сигнала встречается в различных образцах современной аппаратуры и называется широтно-импульсным.

Для стабилизации режима работы в электрическую схему вводится обратная связь, за счёт которой при колебаниях выходного напряжения параметры рабочих импульсов также меняются.

Простейшие преобразователи напряжения содержат в своей основе обычный трансформатор, на выходе которого формируется напряжение с амплитудой, отличной от входного значения.

Известны иные типы преобразовательных устройств, работающих по принципу, схожему с уже описанными ранее образцами, но несколько отличающихся по своей конструкции. Они, как правило, выполняются на основе полупроводников и позволяют получить высокие показатели эффективности преобразования (большой КПД).

Классификация импульсных преобразователей

Выпускаемые отечественной промышленностью импульсные преобразователи, в соответствии с токовыми параметрами, подразделяются на следующие классы:

Электронные конверторы, обеспечивающие преобразование переменного уровня (АС) в постоянный выходной сигнал (DC). Они рассчитаны для промышленного применения и используются в системах, где требуются пониженные значения питающего напряжения 380/220 Вольт;
Инверторы, выполняющие обратное преобразование: входной (DC) сигнал в выходной (АС). Эти устройства востребованы в системах бесперебойного питания, а также в электронных сварочных агрегатах, в которых в результате инвертирования удаётся уменьшить габариты и вес прибора;
Конверторные устройства постоянного напряжения или тока, позволяющие преобразовывать одну величину питающего параметра в другую.

Эти устройства нередко используются для организации питания аккумуляторных батарей при необходимости подключать к ним нагрузки с различными номиналами напряжений.

Состав преобразователя

В состав конструкции импульсных устройств обычно входят следующие функциональные узлы:

Встроенный генератор импульсного сигнала, работающий от собственного блока питания (БП);
Импульсный трансформатор, преобразующий сигналы заданной периодичности в выходные импульсы более высокой частоты;
Встроенные стабилизаторы, обеспечивающие постоянство параметров сигналов, получаемых на выходе устройств;
Электронные коммутаторы на мощных транзисторных элементах, работающие в импульсном режиме, близком к состоянию насыщения.

К этому перечню следует добавить накопительные индуктивности, используемые при построении генераторных схем. Они обычно входят в состав таких широко распространённых устройств, как преобразователь тока.

Типичным представителем комплектующих элементов является трансформатор, обеспечивающий преобразование напряжения с минимальными потерями мощности. Они широко применяются при построении самых разнообразных радиоэлектронных и электротехнических схем.

Достоинства и недостатки преобразовательных устройств

К числу достоинств большинства известных моделей преобразующих устройств относятся:

Высокая эффективность преобразования стандартных сетевых напряжений в удобный для пользователя вид с одновременным контролем их основных параметров;
Компактность и мобильность отдельных образцов инверторных аппаратов, допускающая применение их в качестве автомобильных преобразователей;
Хорошие показатели экономичности с КПД, приближающимся к 90%;
Универсальность и надёжность преобразовательных устройств, обеспечивающая возможность подключения любых видов потребителей;
Возможность компенсации потерь электроэнергии за счёт повышения выходного напряжения.

Важно! Перечисленные преимущества преобразующих приборов позволяют устанавливать их в наиболее ответственных узлах охранных и осветительных систем, а также в модулях управления работой котлов отопления, насосных станций и другого специального оборудования.

К достоинствам этих устройств также следует отнести наличие таких дополнительных опций, как возможность переключения индикаторов измеряемых величин с входного на выходное напряжение. Добавим к этому допустимость подстройки в определённых пределах контролируемых выходных параметров.

К вполне устранимым недостаткам преобразователей данного класса следует отнести чувствительность к эксплуатации в условиях повышенной влажности (это не касается моделей, выпускаемых во влагозащитном исполнении). Добавим к этому высокую стоимость преобразующих систем.

Применение преобразователей в быту

Универсальные модели относятся к категории наиболее сложных устройств, которые способны регулировать несколько параметров (ток, напряжение и частоту) сразу. Но в повседневной практике вполне хватает более простых образцов преобразователей, в которых регулируется только один из входных показателей.

Дополнительная информация. Схема управления напряжением и током, осуществляемого с целью ограничения одного из этих параметров (обычно тока), широко применяется в схемах зарядки аккумуляторов. В более сложных устройствах этого класса могут использоваться современные микроконтроллеры.

В заключение обзора необходимо отметить, что существует множество вариантов исполнения импульсных преобразовательных модулей. Но, независимо от типа и сложности электронного устройства, лежащие в его основе принципы функционирования не меняются. Усвоив основные технические приёмы построения этих приборов, можно научиться обращаться с оборудованием любой сложности, а также успешно ремонтировать его в случае поломки.

Видео

Импульсный повышающий преобразователь напряжения 12 24 220 и другие…

Проблема получения в большегрузном автомобиле напряжения, необходимого для питания радиостанций, автоэлектроники и средств связи (12-14 Вольт) может быть решена несколькими способами.

Самый простой из них взять необходимое напряжение с одного аккумулятора. Но последствия таких "экспериментов" печальны: через некоторое время аккумулятор придется выбросить. Другой, "цивилизованный" способ это установить в автомобиле устройство которое позволит получить необходимое напряжение без ущерба для штатной системы электрооборудования машины. В настоящее время выпускается два типа подобных устройств принципиально отличающихся друг от друга.

Инженеры имеют широкий выбор в широком диапазоне контроллеров регуляторов напряжения, предлагаемых крупными поставщиками. Современные устройства в значительной степени превысили основные недостатки устаревших конструкций, используя такие методы, как управление подачей напряжения для моделей с контролем напряжения и компенсацией наклона для моделей с управлением токовым режимом.

Результатом этих нововведений является то, что инженеры имеют широкий выбор обоих типов топологии. Контроллеры с контролируемым напряжением рекомендуются, когда возможны широкие вариации линейных или выходных нагрузок при наличии низких нагрузок в шумных приложениях и когда требуется многократное выходное напряжение с хорошим перекрестным регулированием.

Первая группа - это линейные стабилизаторы напряжения (адаптеры). Суть данного вида стабилизации состоит в том, что "лишнее" напряжение "остается" на регулирующем элементе. При этом ток который течет от аккумулятора (Iакк. рис.1) равен току текущему в полезную нагрузку (Iн. рис.1), а поскольку входное напряжение в два раза превышает выходное значит мощность потребляемая от аккумулятора в 2 раза превышает мощность которую потребляет полезная нагрузка, т.е. КПД такого стабилизатора (адаптора) 50% (а реально и еще меньше). Попробуем для наглядности подставить живые цифры. Возьмем ток полезной нагрузки Iн.=20Ампер.

Обратноходовые и прямоходовые импульсные преобразователи

Устройства с режимом текущего режима рекомендуются для приложений, где выходная мощность является сильным током или высоким напряжением, когда самый быстрый ответ на конкретную частоту требуется, если изменения входного напряжения ограничены и в приложениях, где стоимость и количество компонентов должны быть сведены к минимуму.

Увеличение выходной мощности

Позвольте мне передать на этой странице основные моменты того, что было моим верхним тезисом. Полная работа всегда доступна для скачивания. Тип, выбранный в этом случае, является третьим, то есть он будет работать только с эффективным значением напряжения, которое подает устройство, чтобы получить регулировку величины, которую вы хотите контролировать. Основной мотив заключается в простоте дизайна и конструкции, что также приводит к большой экономической эффективности решения.

Ракк. = Iакк. х Uакк. = 20 А х 28 В = 560 Ватт

Рн. = Iн. х Uн. = 20 А х 14 В = 280 Ватт

Разница этих мощностей (280 Ватт) выделяется в виде тепла, нагревая радиатор стабилизатора. Чтобы рассеивать такую мощность в течении продолжительного времени нужен радиатор огромных размеров. Реально данные стабилизаторы (адаптеры) выполнены на радиаторах гораздо меньших размеров, а это значит что если производитель заявляет, что максимальный ток стабилизатора равен 20-ти Амперам, то продолжительный режим работы стабилизатора будет возможен при токе 6-7 Ампер, не более. Эти преобразователи оптимальны для питания радиостанций и аудио аппаратуры т.к. максимальный ток эти приборы потребляют как раз кратковременно.

Регулировка части сигнала мощности, которая достигает нагрузки; это то, что делают преобразователи фазового угла. В обоих случаях напряжение частично вычитается, из которого рождается термин «частичное преобразование», который без разбора идентифицирует два типа. Здесь показана принципиальная схема , одинаково справедливая для двух типов. Как будет очевидно, частизация напряжения осуществляется одним или несколькими полупроводниковыми силовыми устройствами, которые между подачей и нагрузкой подают и отключают напряжение на последнем.

Вторая группа – это импульсные устройства . Принципиальное отличие импульсной схемотехники заключается в том, что она позволяет получить источники питания с высоким КПД, до 90%. В таких преобразователях "лишнее" напряжение не рассеивается в виде тепла, а преобразовывается в "дополнительный" ток на выходе. В свою очередь импульсные устройства можно разделить на две подгруппы:

Выбор стратегии управления

Нагрузка подключается, как только импульс попадает в затвор двух тиристоров. Как только импульс остановлен, нагрузка автоматически отключается, как только напряжение инвертирует полярность. Поскольку это не наш случай, мы ориентированы на управление фазовым углом. Выбор стратегии управления имеет решающее значение для конечной производительности. Данная стратегия может фактически дать регулятору возможность превосходно управлять резистивными нагрузками, но совершенно бесполезно, если нагрузка представляет индуктивные компоненты.

импульсные стабилизаторы напряжения /КПД до 90%
импульсные преобразователи напряжения (блоки питания) /КПД до 80%

Отличительной особенностью импульсных преобразователей является гальваническая развязка входного и выходного напряжений (т.е. в их составе имеется трансформатор), который исключает даже теоретическую возможность попадания входного напряжения на выход при любых неисправностях самого преобразователя.

Чтобы лучше понять проблемы, связанные с этим типом нагрузки, рассмотрим схему выше. Как уже упоминалось, только ворота двух тиристоров поступают на сигнал запуска, один из которых начинает работать, и в цепи генерируется ток. Угол пуска будет обозначаться α. По завершении этого полупериода новый сигнал запуска снова появится после угла α, и цикл повторится. Разность между углом экстинкции и углом триггера будет обозначена буквой δ и будет углом проводимости. В случае индуктивной нагрузки ситуация меняется: предположим тиристор Т1. включается во время положительной полуволны, а затем пропускает весь ток нагрузки.

Современная элементная база и схемотехника позволила создать импульсные преобразователи и стабилизаторы напряжения которые обеспечивают:

Долговременный режим работы при максимальном токе нагрузки.
Автоматическое регулирование выходной мощности (можно не бояться перегрузок вплоть до короткого замыкания). Система ограничения мощности сама отследит перегрузку и ограничит выходную мощность до безопасного уровня.
За счёт высокого КПД обеспечивается нормальный тепловой режим и как следствие высокая надёжность и малые габариты.
Мощность потребляемая от аккумулятора лишь на 10-15% больше, чем потребляет нагрузка.
Наличие гальванической развязки входного и выходного напряжений в преобразователе (т.е. в его составе имеется трансформатор) исключает даже теоретическую возможность попадания входного напряжения на выход. В стабилизаторе же устанавливается мощный высокоэффективный ограничитель напряжения.
Пожалуй, единственным недостатком импульсных устройств это возможные радиопомехи, их уровень зависит от производителя (стоимости) преобразователя. Недорогие преобразователи не рекомендуется применять для питания радиостанций и радиоприёмников.

Импульсный преобразователь напряжения

Для трансформации напряжения из одного уровня в другой применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения , в работе которых используются индуктивные накопители. В таких конверторах мощность на выходе регулируются благодаря изменениям временного промежутка воздействия на нагрузку одним из двух способов:

Из-за наличия индуктивного компонента Т1 он не будет прерван прохождением напряжения до нуля, после чего напряжение примет отрицательное значение. Вместо этого он перейдет в состояние «Выключено», когда ток, проходящий через него, будет отменен, а осциллограммы будут показаны на рисунке внизу справа. Этот факт включает в себя асимметрию осциллограммы плюс значение напряжения, которое не является желательным. Этот недостаток преодолевается с помощью управляющая стратегия, которая возбуждает затвор тиристоров с длительным импульсом. это имеет наименьший недостаток: на самом деле непрерывные сигналы затвора приводят к более высоким потерям и требуют более высокого тока.

Частотно-импульсным;

Широтно-импульсным.

Принцип действия импульсного повышающего преобразователя напряжения состоит в создании такого режима транзистора, во время которого вся цепь подачи мощности в нагрузку будет периодически прерываться. Таким образом, импульсный преобразователь 24 12 позволяет упорядочить колебания продолжительности выходящих импульсов при их неизменяющемся периоде изменения. Однотактный импульсный преобразователь напряжения может работать в диапазоне мощностей от 0 до 100 Вт. Если же требуется устройство большей мощности , то применяют многотактный импульсный преобразователь напряжения.

Это очевидно, пилотируя ворота с короткой импульсной поездкой. Затем стратегия становится следующей. Колонка импульсов генерируется вблизи канала питания для нуля. Генерируется вторая импульсная последовательность, и она задерживается на угол, равный α π, для повторного управления воротами.

Максимальный дизайн схемы

Цикл повторяется и после короткой переходной фазы, в течение которой нет идеальной симметрии, операция переходит в систему для обеспечения надлежащей мощности нагрузки. В большинстве приложений диапазон настройки не будет варьироваться от 0% до 100%, но будет начинаться с более высокого значения, например 30%; это касается потребностей пользователя, а также ограничений, налагаемых пользовательской схемой. Первый будет использоваться для регулировки угла α и, следовательно, эффективного значения , в то время как второй отрегулирует минимальный порог.

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

Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет

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

Он будет откалиброван для первого использования в соответствии с нагрузкой, которую он будет подавать. На рисунке ниже показана схема разрядки конденсатора, которая направлена на сброс остаточного заряда, накопленного в конденсаторе в конце каждой половины напряжения питания.

Прямоходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора

На рисунке ниже показана работа этой схемы; когда напряжение проходит через 0, оставшийся заряд в конденсаторе напрямую поляризует два диода за раз, создавая схему, которая через два резистора разряжает остаточное напряжение. Схема имеет собственный предел из-за порогового напряжения двух диодов: когда напряжение падает до 4 В, они прерываются. Таким образом, оказывается, что всегда будет минимальное напряжение.

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

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

В любом случае, цепь защиты от сверхтока была установлена для защиты контроллера, когда дело доходит до работы в стрессовых ситуациях. Целью этой схемы является прерывание питания источника питания регулятора, тем самым защищая его от повреждения и чрезмерного напряжения, Для облегчения теплового рассеивания также были установлены вентилятор и радиатор. Схема разделена на две части: первая - адаптировать напряжение сети 230 В, чередующееся с 12 непрерывными напряжениями, необходимыми для питания реле, вентилятора и измерительной цепи.

Вентилятор и вторая часть системы защиты подключены к выходу. Термистор изменяет свою устойчивость к изменению температуры, тогда как триммер первоначально откалиброван в зависимости от температуры, которая считается критичной для оборудования. В конечном счете, последняя схема показана здесь сбоку. Можно утверждать, что, таким образом, можно регулировать угол между π и 2π и, таким образом, получать асимметричную форму волны. Для трансформатора максимальный ток, поглощаемый цепями с напряжением 12 В, оценивается в 215 мА.

Вашему вниманию подборки материалов:

На схеме мы видим, что блок управления D1 в зависимости от напряжения на конденсаторе C2 замыкает и размыкает силовой ключ. Причем чем выше напряжение на C2 , тем меньше время, на которое замыкается ключ, то есть меньше коэффициент заполнения (больше скважность). Если напряжение на конденсаторе C2 превышает некоторое, то ключ вообще перестает замыкаться, пока напряжение не снизится. Как обеспечивается такая работа схемы управления, описано в статье о широтно-импульсной модуляции.

Затем будет выбрана колода 50 В 1А. Реле будет 12 В с одной коммутацией, с номинальным током 10 А контактов. Если вам нужно мобилизовать мобильные устройства за пределами цивилизованных лошадей, из машины у вас, вероятно, есть проблема после однодневной поездки, чтобы получить энергию для своих батарей.

Если мы поймем, что на наших спинах должны быть использованы , то ясно, что мы должны обратить внимание на важность и эффективность поперечной энергии. Таким образом, мы забываем о тяжелых - даже дешевых свинцовых аккумуляторах, с очень простым линейным стабилизатором - эффективность их преобразования энергии очень мала. Первое значение, в свою очередь, небольшое для изменения, поскольку линейные источники обычно требуют между входным и выходным разностями, обычно равными от 5 до 3 вольт.

Когда силовой ключ замкнут, ток идет по пути S1 . При этом к катушке индуктивности приложено напряжение, равное разнице между входным и выходным напряжением. Ток через катушку увеличивается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, на которое замыкается ключ. Катушка накапливает энергию. Протекающий ток заряжает конденсатор C2 .

Поэтому, если вы хотите создать источники 5 В, батарея 6 В не работает. Кроме того, вы должны рассчитывать на разряд батареи. Дизайн действительно прост, с минимальными компонентами, и его можно действительно обрабатывать всеми. Однако эффективность этого стабилизатора зависит от разности входных и выходных напряжений и проходящего тока. Структурно более выраженная разность импеданса на входе и выходе стабилизатора, тем ниже эффективность и большое количество энергии, она выбрасывается в пространство подобно теплу.

Пример транзисторных схем выходных каскадов дроссельных преобразователей

Эффективность составляет около 30% - это зависит от разницы в напряжениях. Проблема линейных стабилизаторов обычно заключается в необходимости большей разницы между входным и выходным напряжениями. Они обладают несколькими существенными преимуществами по сравнению с линейными ресурсами - более высокой энергоэффективностью, более высокими входными напряжениями, более мощными трансформаторами и, что более важно, без летучих мышей . Первое поколение коммутируемых ресурсов, используемых в нашей стране с годами, было построено сравнительно сравнительно с схемами с более ранних времен, и в настоящее время существует огромное количество интегральных схем, специализированных для этих целей.

Когда силовой ключ разомкнут, ток идет по пути S2 через диод. К катушке индуктивности приложено выходное напряжение с обратным знаком. Ток через катушку уменьшается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, в течение которого ключ разомкнут. Протекающий ток по-прежнему заряжает конденсатор C2 .

Когда конденсатор C2 зарядится, ключ перестает замыкаться, зарядка конденсатора прекращается. Ключ снова начнет замыкаться, когда конденсатор C2 немного разрядится через нагрузку.

После компиляции у 12 членов был общий твердый ресурс, на котором они работали. Недостатки. В относительно большом замкнутом пространстве результирующая емкость недостаточна для одновременного подключения освещения. Другим недостатком является более высокая цена покупки.

Вы соедините такой «ресурс» за считанные минуты, но у него есть несколько основных недостатков. Если вы используете больше батарей, вы должны позаботиться о стабилизации напряжения даже при разрядке батарей. Цена была действительно вполне приемлемой. Наконец, как всегда, она решила «презирать» азиатское производство.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Преимущества, недостатки, применимость

Потери энергии непосредственно зависят от отношения входного и выходного напряжений. Так понижающий преобразователь теоретически может сформировать большой выходной ток при малом напряжении из небольшого входного тока, но большого напряжения, но нам придется прерывать большой ток при большом напряжении, что гарантирует высокие коммутационные потери. Так что понижающие преобразователи применяются, если входное напряжение в 1.5 - 4 раза больше выходного, но их стараются не применять при большей разнице.

Оригинальная аккумуляторная батарея для камкордера

После покупки он работает без проблем. Интересно, что «китайские» батареи отличаются друг от друга в результате их емкости и мощности. Соединив несколько внешних компонентов, можно создать очень приличный источник питания. Если вам нужен больший выходной ток, это не проблема увеличения его с помощью дополнительного силового транзистора . Для наших целей это значение является достаточным.

Строительство, возрождение и траур монаха

Вторичный эффект более высокой эффективности заключается в том, что такой источник не плавится и очень холоден в работе. Сначала у меня не было опыта с источником питания или батареей. Чтобы избежать необходимости вытягивать еще один метр в поле, первая версия вольтметра панели.

Разберем процесс проектирования и расчета понижающего преобразователя и опробуем его на примерах. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Для примера возьмем следующие схемы:

Схема 1

Схема 2

Одной из проблем понижающих преобразователей является сложность управления силовым ключом, так как его эмиттер (исток) как правило не подключен к общему проводу. Дальше мы рассмотрим несколько вариантов решения этой проблемы. Пока остановимся на несколько нестандартном включении микросхемы - ШИМ контроллера. Мы используем микросхему 1156EU3 . У этой микросхемы выходной каскад выполнен по классической двухтактной схеме. Средняя точка этого каскада выведена на ножку 14, эмиттер нижнего плеча соединен с общим проводом (ножка 10), коллектор верхнего плеча выведен на ножку 13. Мы соединим ножку 14 с общим проводом через резистор, а ножку 13 подключим к базе ключевого транзистора. Когда верхнее плечо выходного каскада открыто (это соответствует подаче отпирающего напряжения на выход), ток протекает через эмиттерный переход транзистора VT2, ножку 13, верхнее плечо выходного каскада, ножку 14, резистор R6. Этот ток отпирает транзистор VT2.

В таком включении можно применять и контроллеры с открытым эмиттером на выходе. В этих контроллерах нет нижнего плеча. Но оно нам и не нужно.

В нашей схеме в качестве силового ключа используется мощный биполярный транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора в качестве силового ключа. В качестве силового ключа можно использовать составной транзистор, чтобы понизить нагрузку на контроллер. Однако, напряжение насыщения коллектор - эмиттер составного транзистора в разы больше, чем у одинарного. В статье про составной транзистор описано, как рассчитать это напряжение. Если Вы используете составной транзистор, то в форме расчета в конце статьи укажите в качестве напряжения насыщения коллектор - эмиттер VT2 именно это напряжение. Чем выше напряжение насыщения, тем выше потери, так что с составным транзистором потери будут в разы больше. Но решение есть. Оно будет описано далее в разделе о маломощных контроллерах.

Ется выходное напряжение. От каких элементов оно зависит? Также буду очень благодарен, если если подскажете, как правильно рассчитать параметры понижающего преобразователя 100в на 28в 1000 Ватт. Заранее огромное спасибо.
Описание и параметры MOC3061, MOC3062, MOC3063. Применение в тиристорных схемах...

Как сконструировать инвертирующий импульсный преобразователь. Как выбрать частот...

Микроконтроллеры. Составление программы. Инструменты проектирования сх...
Как и с помощью чего программировать и отлаживать микро-контроллеры, проектирова...

По проектированию (10+)

Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет

Вашему вниманию подборки материалов:

Преимущества, недостатки, применимость

Схема 1

Схема 2

В нашей схеме в качестве силового ключа используется мощный биполярный транзистор . Подробнее о работе биполярного транзистора в качестве силового ключа. В качестве силового ключа можно использовать составной транзистор, чтобы понизить нагрузку на контроллер. Однако, напряжение насыщения коллектор - эмиттер составного транзистора в разы больше, чем у одинарного. В статье про составной транзистор описано, как рассчитать это напряжение. Если Вы используете составной транзистор, то в форме расчета в конце статьи укажите в качестве напряжения насыщения коллектор - эмиттер VT2 именно это напряжение. Чем выше напряжение насыщения, тем выше потери, так что с составным транзистором потери будут в разы больше. Но решение есть. Оно будет описано далее в разделе о маломощных контроллерах.

Как сконструировать инвертирующий импульсный преобразователь. Как выбрать частот...

Импульсный повышающий преобразователь напряжения 12 24 220 и другие…

Ракк. = Iакк. х Uакк. = 20 А х 28 В = 560 Ватт

Рн. = Iн. х Uн. = 20 А х 14 В = 280 Ватт

импульсные стабилизаторы напряжения /КПД до 90%
импульсные преобразователи напряжения (блоки питания) /КПД до 80%

Долговременный режим работы при максимальном токе нагрузки.
Автоматическое регулирование выходной мощности (можно не бояться перегрузок вплоть до короткого замыкания). Система ограничения мощности сама отследит перегрузку и ограничит выходную мощность до безопасного уровня.
За счёт высокого КПД обеспечивается нормальный тепловой режим и как следствие высокая надёжность и малые габариты.
Мощность потребляемая от аккумулятора лишь на 10-15% больше, чем потребляет нагрузка.
Наличие гальванической развязки входного и выходного напряжений в преобразователе (т.е. в его составе имеется трансформатор) исключает даже теоретическую возможность попадания входного напряжения на выход. В стабилизаторе же устанавливается мощный высокоэффективный ограничитель напряжения.
Пожалуй, единственным недостатком импульсных устройств это возможные радиопомехи, их уровень зависит от производителя (стоимости) преобразователя. Недорогие преобразователи не рекомендуется применять для питания радиостанций и радиоприёмников.

Импульсный преобразователь напряжения

Для трансформации напряжения из одного уровня в другой применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, в работе которых используются индуктивные накопители. В таких конверторах мощность на выходе регулируются благодаря изменениям временного промежутка воздействия на нагрузку одним из двух способов:

Частотно-импульсным;

Широтно-импульсным.

Принцип действия импульсного повышающего преобразователя напряжения состоит в создании такого режима транзистора, во время которого вся цепь подачи мощности в нагрузку будет периодически прерываться. Таким образом, импульсный преобразователь 24 12 позволяет упорядочить колебания продолжительности выходящих импульсов при их неизменяющемся периоде изменения. Однотактный импульсный преобразователь напряжения может работать в диапазоне мощностей от 0 до 100 Вт. Если же требуется устройство большей мощности, то применяют многотактный импульсный преобразователь напряжения.

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

DC/DC преобразователи

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс - http://ali.pub/m5isn .

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальные преобразователи - SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи - inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например.

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть транзистор структуры MOSFET, IGBT либо обычный биполярный транзистор. Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция - ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.

Рис.3. Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Рис.5. Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающие step-up или boost преобразователи

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.

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. 4.1), повышающие (рис. 4.2) и инвертирующие (рис. 4.3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель), блокировочный диод и конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

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

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

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

Понижающий преобразователь (рис. 4.1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки Rн и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1 . Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Рис. 4.1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения

Рис. 4.2. Принцип действия повышающего 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 R н. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 4.2) 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 с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1 . Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

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.

Рис. 4.3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 4.3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки R н с конденсатором фильтра С1. Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

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 R н 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).

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 импульснью стабилизаторы и со смешанным регулированием.

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

Задающий генератор (рис. 4.4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 4.5, 4.6) на микросхеме КР1006ВИ1 (NE 555) работает на частоте 65 кГц. Выходные прямоугольные импульсы генератора через RC-цепочки 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%. Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости

Рис. 4.4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения

Рис. 4.5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В

Рис. 4.6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В

конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 4.5, 4.6) составляет 140 мА.

В выпрямителе преобразователя (рис. 4.5, 4.6) 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 n-р-n - КТ815, КТ817 (рис. 4.5) и р-n-р - КТ814, КТ816 (рис. 4.6) и другие. Для повышения надежности работы преобразователя рекомендуется включить параллельно переходу эмиттер - коллектор транзистoра диод типа КД204, КД226 таким образом, чтобы для постоянного тока он был закрыт.

Дизайн