Как работают импульсные преобразователи напряжения (27 схем)

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.

Кпд импульсного преобразователя напряжения

На выходе таких схем всегда будет или постоянное или пульсирующее напряжение. Переменное напряжение на их выходе не получить.

Общая схема повышающего импульсного преобразователя с накопительным дросселем:

Сигнал который необходимо подавать в точку А1 по отношению к общему проводу:

Общая схема понижающего импульсного преобразователя с накопительным дросселем:

Сигнал который необходимо подавать в точку Б1 по отношению к истоку транзистора:

Как работают импульсные преобразователи с накопительным дросселем?

Рассмотрим на примере повышающего преобразователя. Накопительный дроссель L1 подключен так, что при открывании транзистора T1 через них начинает протекать ток от источника «+ПИТ», при этом ток возрастает в дросселе не мгновенно, так как энергия запасается в магнитном поле дросселя. После того как транзистор T1 закрывается, запасённой в дросселе энергии необходимо высвободится, это следует из физики явлений происходящих в дросселе, соответственно единственный путь этой энергии пролегает через источник +ПИТ, диод VD1 и нагрузку подключенную к ВЫХОДу. При этом максимальное напряжение на выходе зависит только от одного — сопротивления нагрузки. Если у нас идеальный дроссель и если нагрузка отсутствует, то напряжение на выходе будет бесконечно большим, однако мы имеем дело с далёким от идеала дросселем, по этому без нагрузки напряжение просто будет очень большим, возможно настолько большим что случиться пробой воздуха или диэлектрика между клеммой ВЫХОД и общим проводом, но скорее пробой транзистора.

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.

Принцип работы импульсного преобразователя

Разработано несколько типов конструкций преобразователей, которые отличаются принципом работы:

• step-down (buck converter) – устройства, способные понижать входное напряжение до заданного;
• step-up (boost converter) – используются тогда, когда необходимо повысить напряжение на выходе относительно входного;
• buck-boost converter – способен работать как на понижение, так и на повышение напряжения;
• SEPIC (single-ended primary-inductor converter) – имеет аналогичные параметры, но работает по другому принципу;
• inverting converter – основное назначение – инверсия полярности напряжения.

Практически все конструкции используют в работе свойство индуктивности к накоплению энергии. Цепь с катушкой индуктивности (дросселем) управляется ключом, роль которого выполняет быстродействующий транзистор. Различия в схемах заключаются во взаимном расположении дросселя, накопительной емкости и ключевого элемента.

Step-down

Схема содержит индуктивность, расположенную после ключевого элемента и включенную последовательно с нагрузкой. При открытом ключе через дроссель начинает протекать ток. Диод в это время закрыт. После закрытия ключа ток не прекращается мгновенно, а продолжает циркулировать в том же направлении, но уже через открытый диод.

Советуем изучить Преобразователь частоты

Step-down конвертер

В дальнейшем цикл работы повторяется. Емкость на выходе позволяет сглаживать пульсации выходного напряжения.

Step-up

Данный повышающий преобразователь напряжения также содержит дроссель, соединенный последовательно с нагрузкой, но располагается он до ключа. При открытом ключе через индуктивность течет ток, который линейно растет. После закрытия ключа ток продолжает идти уже через открытый диод в нагрузку. При этом напряжение на входе складывается с ЭДС самоиндукции дросселя.

Step-up конвертер

Остальные схемы имеют аналогичную схемотехнику.

Во всех случаях диод блокирует нагрузку от ключа в необходимом месте цикла преобразования. Падение напряжения на диоде вызывает рассеивание дополнительной мощности, что снижает КПД устройства. Поэтому вместо обыкновенных диодов с падением около 0.7В используют быстродействующие диоды Шоттки, падение напряжения на которых составляет 0.4В.

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).

Как правильно и где использовать прибор

Применение импульсных устройств требует соблюдения некоторых условий:

• экранировка корпуса прибора, чтобы понизить уровень излучаемых помех;
• установка фильтров на входе устройства для предотвращения передачи помех через питающую сеть;
• обеспечение циркуляции воздуха для эффективного охлаждения силовых элементов схемы.

Максимально допустимую нагрузку к источнику питания допускается подключать только при высоком значении входного напряжения. Это связано с тем, что при его снижении для обеспечения номинальных выходных значений полупроводниковые ключи генератора инвертора большую часть времени находятся в открытом состоянии. Это может вызвать их перегрев и выход из строя.

Вам это будет интересно Установка радиозвонка для двери

Важно! Большинство схем импульсных преобразователей напряжения построено таким образом, что часть элементов находится под потенциалом сети, что может вызвать удар электрическим током. Использовать такие преобразователи можно только при условии надежного заземления конструкции.

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.

Широтно-импульсный преобразователь

В процессе работы используется устройство, накапливающее энергию в результате трансформации. Оно может входить в базовую структуру или же подключаться напрямую к входному напряжению без привязки к преобразователю. Так или иначе, на выходе будет усредненный показатель напряжения, определяемый значением входного напряжения и скважностью импульсов от коммутационного ключа. На операционном усилителе находится специальный вычислитель, который оценивает параметры входного и выходного сигналов, регистрируя разность между ними. Если напряжение на выходе меньше опорного, то к регуляции подключается модулятор, повышающий длительность открытого состояния коммутационного ключа относительно времени действия тактового генератора. По мере изменения входного напряжения импульсный преобразователь корректирует схему управления ключом так, чтобы разность между выходным и опорным показателями напряжения сводилась к минимуму.

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.

Микросхемы импульсных преобразователей

Для многих стандартных областей применения разработаны интегральные микросхемы стабилизаторов. Использование микросхем позволяет создавать конструкции, содержащие минимальное количество элементов и не требующие настройки. В случае питания небольшой нагрузки не требуется даже использование мощных ключевых элементов. Это позволяет создавать малогабаритные и надежные источники питания. В качестве примера зарядные устройства для мобильных телефонов.

Преобразователь на ИМС

Интегральные микросхемы в преобразователях могут выполнять различные функции, поэтому они делятся по функциональному назначению:

• широтно-импульсные преобразователи;
• триггеры Шмидта;
• стабилизаторы напряжения.

Выпускается большой ассортимент ИМС, совмещающих в себе все перечисленные функции. Одна и та же микросхема может выпускаться различными производителями под своим наименованием.

Обратите внимание! Проектирование и конструирование импульсных преобразователей напряжения облегчается наличием большого количества типовых схем, которые опробованы в работе, отличаются простотой и надежностью.

Что касается ремонта устройства, то во многих случаях это выполнять нецелесообразно, поскольку затраты по времени и трудоемкость работ не сопоставимы с низкой стоимостью элементов и готовой конструкции.

Таким образом, преобразователь — это важное устройство как в быту, так и в промышленности. Благодаря ему обеспечивается слаженная работа электрооборудования и сетей. Но в его использовании важно учесть условия и правила.

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%.

Параметры импульсных преобразователей

Теперь, когда мы проверили поведение схемы на практике, стоит узнать наиболее важные параметры этих чрезвычайно полезных модулей. Импульсный преобразователь, как и любую систему питания, можно описать несколькими основными свойствами, наиболее важные из которых обсуждаются ниже.

Выходное напряжение — может быть постоянным (нерегулируемым) или задаваться в определенном диапазоне. Если оно постоянное, производитель должен указать, с какой погрешностью оно определяется, например, 5 В (± 0,2 В). В нашем эксперименте мы использовали преобразователь с постоянным выходным напряжением.

Максимальный выходной ток — ток, который может непрерывно поступать с выхода преобразователя. Это будет зависеть от входного напряжения.

Входное напряжение — в зависимости от типа преобразователя должно быть:

• ниже выхода, если схема повышающего типа (другое название: boost),
• выше выхода, если схема понижающая (другое название: buck),
• выше или ниже, но в пределах диапазона, если схема повышающая / понижающая (также известная как SEPIC ).

В случае первых двух конфигураций, производитель также должен указать минимальное напряжение, которое должно быть установлено между входом и выходом преобразователя. В случае линейных стабилизаторов, речь идет о минимальном падении напряжения. Третья конфигурация имеет заданный диапазон, в котором входное напряжение должно падать — схема сама примет решение о его повышении или понижении.

КПД следует понимать как отношение выходной мощности к входной. Разница между этими мощностями — это потери, которые будут выделяться в виде тепла. Выражается в процентах. Чем ближе к 100%, тем лучше для нас.

Эффективность зависит от так называемого условия эксплуатации, т. е. подаваемое напряжение и потребляемый ток. Поэтому вам следует внимательно изучить даташиты производителя на предмет диаграмм. Может оказаться, что очень дорогой преобразователь имеет параметры хуже, чем гораздо более дешевый.

В случае линейных стабилизаторов, эффективность зависит от разницы между входным и выходным напряжением. Чем больше эта разница, тем больше мощности мы теряем в схеме. Для рассмотренного ранее стабилизатора, КПД составил всего 42%.

Преобразователь напряжения на основе КР1006ВИ1

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.

Преобразователи напряжения импульсные

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

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

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

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

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.

Широтно-импульсная модуляция

Регулировка выходных параметров осуществляется управлением длительностью открытого и закрытого состояния ключевого элемента. Наиболее распространен принцип широтно-импульсной модуляции.

Транзистор коммутируется высокочастотными импульсами постоянной частоты. Время открытия и закрытия определяется шириной импульсов. Следящая схема контролирует выходное напряжение, сравнивая его с опорным. Сигнал рассогласования поступает на модулятор, регулирующий параметры импульсов управления.

Широтно-импульсная модуляция

В современных конструкциях все эти функции возложены на специализированную интегральную микросхему, благодаря чему схемотехника импульсных блоков питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) отличается простотой и надежностью.

Преобразователь напряжения со стабильными 30В

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

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 [4.1] 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.

Характеристики

Преобразователи напряжения импульсные
Основными характеристиками, важными потребителю, являются:

• Диапазон напряжений на входе;
• Уровень выходного напряжения;
• Максимальный ток нагрузки;
• Ток холостого хода;
• КПД преобразователя;
• Уровень пульсаций на выходе;
• Уровень электромагнитных помех;
• Гальваническая развязка входа и выхода.

Указанные параметры во многом зависят от конструктивных особенностей конструкции.

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, C3, 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 C3 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 C3 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 C3 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.).

Источник питания для питания портативных и карманных приемников

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, C3.

При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор C3 большой емкости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на C3 — увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и C3 не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора C3 через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора C3 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.

Виды DC-DC преобразователей

Есть разные типы преобразователей DC-DC:

1. Без катушки индуктивности, собранные с использованием конденсаторов. Есть варианты с неменяющимся и настраиваемым напряжением. Такие инверторы подходят для питания нагрузок низкой мощности. Для сборки схемы регулируемого преобразователя DC-DC не нужно иметь моточные компоненты. Это позволяет собирать модули компактных размеров с минимальными расходами.
2. С катушкой индуктивности, без гальванической развязки. Содержат 1 источник питания в изоляции. Способ преобразования (повышение, понижение, смена полярности) зависит от позиции ключа. В качестве ключевых составляющих обычно используются полевые транзисторы (FET) и биполярные транзисторы с затвором в изоляции (IGBT).

Устройства с индуктивностью бывают:

1. Повышающего типа. Принцип работы и микросхемы DC-DC повышающих преобразователей будут рассмотрены далее.
2. Понижающие – с транзистором-ключом. Для его управления применяется широтно-импульсный модулятор.
3. С возможностью регулирования величины Uвых – подходят для получения повышенного или пониженного значения выходного напряжения. Находят применение в приборах, в которых напряжение задает Li-ion элемент питания, и его напряжение постепенно снижается. Такой инвертор с легкостью поддерживает заданное выходное значение.
4. С произвольной величиной Uвых, т.е. с возможностью его повышения и понижения. Используются такие преобразователи напряжения DC-DC в схемах, в которых напряжение задает накопитель энергии Li-ion типа. Их номинальное напряжение в процессе эксплуатации элементов питания снижается, и возникает необходимость его изменения до выходного значения 3,3 В.

• С гальванической развязкой. Содержат импульсные трансформаторы с рядом обмоток. Между цепями входа и выхода связи нет. Между значениями напряжения на концах наблюдается значительная разница потенциалов. В частности, такие конвертеры применяются в блоках питания импульсных фотовспышек с Uвых около 400 В.

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.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Технические характеристики прибора

Технические характеристики инверторов по большей части совпадают с таковыми у классических источников питания. Но есть и отличия. Импульсный преобразователь может работать при более широком диапазоне входного напряжения, имеет меньшие массу и габариты, более высокий КПД. Устройства отличаются высоким уровнем высокочастотных помех, но их легко снизить при использовании фильтров. Благодаря высокой частоте габариты фильтра невелики.

Обратите внимание! Инвертор имеет отрицательную величину входного сопротивления. На практике это выражается в том, что при увеличении напряжения питающей сети происходит снижение тока потребления.

Вам это будет интересно Монтаж электросчетчика на улице