Преобразователи напряжения теория. Типы импульсных преобразователей напряжения. Импульсный преобразователь напряжения. Как работает импульсный понижающий преобразователь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ОКРУГ

Конкурс исследовательских работ учащихся

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ МОРДОВИИ»

Импульсный преобразователь напряжения

ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский электромеханический колледж »

Саранск 2013

Аннотация. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение импульсного повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Введение……………………………………………………………………………..…………...4

1. Теоретическая часть…………………………………………………..………………………5

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии………………….………5

1.2 Импульсные преобразователи напряжения …………...………………….…….……..6

2.Экспериментальная часть………………………………………..……………………...…….9

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В.……………………………………………..…...….9

2.2 Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя………........10

2.3. Расчет себестоимости преобразователя..……………………………...…………..….11

Заключение………………………………………………………………………..……….……12

Список использованных источников и литературы…………………………..…...…………12

Введение

В настоящее время на рынке электронной аппаратуры предложен большой выбор преобразователей. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Преобразователи напряжения различаются своими функциональными возможностями, формой выходного напряжения, мощностью на выходе и соответственно ценой.

В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Основными критериями при разработке преобразователя являлись малые габариты при высокой удельной мощности, простота технического решения, надежность и низкая цена.

Целью исследования является разработка и изготовление малогабаритного источника постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В. Задачами исследования являются:

Изучить и проанализировать существующие типы преобразователей электрической энергии.

Разработать оптимальную электрическую схему и конструкцию преобразователя напряжения на 12-220В.

Изготовить преобразователь по разработанной схеме.

Провести испытание преобразователя, измерить входные и выходные характеристики и сделать выводы о его работоспособности.

Методы исследования: изучение литературы и интернет - ресурсов, наблюдение, обобщение, анализ, классификация, моделирование, прогнозирование, эксперимент, расчет, сравнение, описание.

Практическая значимость работы . Разработанный преобразователь напряжения является простым и недорогим источником автономного питания для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения.

Актуальность тематики . Устройство актуально для владельцев неэлектрофицированных садовых домиков, гаражей, где единственным источником электроэнергии может быть аккумуляторная батарея автомобиля.

1. Теоретическая часть

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии.

Преобразователь электрической энергии - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД - важный параметр электротехнических устройств.

Основными видами преобразования электрической энергии являются:

· выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока в постоянный (рис.1). Этот вид преобразования наиболее распространенный, так как некоторые потребители электрической энергии могут работать только на постоянном токе (сварочные устройства, электролизные установки и т. д.) или имеют на постоянном токе более высокие технико-экономические показатели, чем на переменном (электропривод системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения);

Рис. 2. Принцип действия инвертора.

· преобразование частоты - обычно переменный ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты (питание регулируемых электроприводов переменного тока, установки индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковые устройства и т. д.) (рис. 3);

· преобразование числа фаз. Иногда необходимо преобразование трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или наоборот, однофазного в трехфазный (электрифицированный транспорт). В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной частью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;

· преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока) (рис. 4). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребителям требуется постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической аппаратуры).

Рис. 4. Принцип действия преобразователя постоянного напряжения.

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов.

Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры , запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

1.2 Импульсные преобразователи напряжения

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, повышающие и инверти­рующие. 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. 5) 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. 5. 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 Rн. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 6) 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.

Рис. 6. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источни­ка питания, ключа и накопителя энергии. Напряжение на сопро­тивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС са­моиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полу­ченное таким способом выходное напряжение превышает напря­жение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содер­жит то же сочетание основных элементов, но в другом их соединении (рис. 7): к источнику питания подключена последо­вательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки Rн с конденсатором фильтра С1. Ин­дуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соедине­ния коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 7. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь следующим образом: 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.

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Обратноходовой преобразователь - разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей. Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель, который часто называют трансформатором. Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

Двухтактный преобразователь - преобразователь напряжения, использующий трансформатор для изменения напряжения источника питания. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота. Двухтактный преобразователь похож на обратноходовой преобразователь, однако основан на другом принципе работы (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).

2.Экспериментальная часть

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC - DC преобразователя напряжения 12/220В

Принцип действия предлагаемого преобразователя заключается в следующем: постоянный ток от аккумуляторной батареи напряжением 12В преобразуется инвертором в переменный ток того же напряжения, которое повышается трансформатором до 220В и далее выпрямляется выпрямителем. Общий вид структуры реализованного преобразователя показан на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 9. Преобразователь построен по двухтактной схеме. Основой преобразователя является широко известная микросхема ШИМ контроллера TL494. Данная микросхема имеет встроенный задающий генератор, частота которого устанавливается внешней R3C1 цепочкой. Рабочая частота задается следующим образом: уменьшаем сопротивление R3 – увеличиваем частоту. Увеличиваем емкость C1 – уменьшаем частоту и наоборот. В данной схеме частота получается порядка 100КГц. Такая высокая частота преобразования обусловлена необходимостью минимизации габаритов преобразовательного трансформатора.

В схеме используются мощные полевые транзисторы IRFZ46N, которые характеризуются меньшим временем срабатывания и более простыми схемами управления. Вместо них можно использовать IRFZ44N или IRFZ48N.

Повышающий трансформатор в данном преобразователе используется из блока питания компьютера с измененным количеством витков. Соотношение витков в трансформаторе 1:1:20 , где 1:1 – две половинки первичной обмотки (10+10 витков), а 20 – соответственно, вторичная обмотка (200 витков). Для первичной обмотки используется провод диаметром 0,5мм, для вторичной обмотки – 0,3мм.

Выходное напряжение преобразователя снимается с вторичной обмотки трансформатора и выпрямляется по мостовой схеме, выполненной из быстродействующих диодов КД213.

Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Защиту схемы от перегрузки и от неправильного подключения питания (полярности «+» и «-») можно реализовать через предохранитель и диод на входе.

2.2. Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя

Внешний вид готового преобразователя напряжения представлен на рис. 10, где 1 – корпус преобразователя, 2 – входные контакты, 3 – выходные контакты, 4 – вентилятор .

https://pandia.ru/text/78/373/images/image015_24.jpg" width="276" height="265 src=">Ацетон" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark">ацетоном .

Для предупреждения перегрева транзисторов при длительных режимах работы установлены радиатор и вентилятор.

Готовый преобразователь был испытан для питания энергосберегающих ламп дневного света цокольного типа и ламп накаливания мощностью до 40 Вт (рис. 12).

Рис. 12. Испытание преобразователя.

В результате испытаний получены следующие данные:

Входное напряжение – 12В, выходное напряжение – 220+/-5В, максимальная выходная мощность – 40Вт.

Преобразователь испытывался как в кратковременных, так и в длительных режимах работы (4часа) с энергосберегающими и лампами накаливания разной мощности до 40Вт. Во всех случаях было отмечено нормальное яркое свечение без мерцания.

Сравнительный эксперимент на двух лампах одного номинала, подключенных к преобразователю и к розетке с напряжением 220В – 50Гц, показал визуально одинаковый результат.

2.3. Расчет себестоимости преобразователя

Себестоимость преобразователя по стоимости материалов составляет 356 рублей. Расчет приведен в таблице №1. Для расчета взяты средние розничные цены в специализированных магазинах электроники.

Таблица №1. Расчет себестоимости преобразователя.

Заключение

Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Список использованных источников и литературы

1. ГОСТ Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий.

2. , Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: СОЛО-Р, 2001. – 327с.

3. http://www. electromonter. info/theory/convert. html

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “ мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Вторая схема.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Третья схема.
:

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания :
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Девятая схема.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме фирмы TEXAS:

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Десятая схема.
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме фирмы MAXIM:
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.

Одиннадцатая схема.
Два изолированных преобразователя на микросхемах фирмы YCL Elektronics:
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Многие начинающие радиолюбители затрудняются определить тип блока питания, а ведь это не так уж и сложно. Основные способы преобразования напряжения заключаются в использовании одного из двух вариантов схемотехники:

Трансформаторные;

Бестрансформаторные источники питания.

В свою очередь трансформаторные различаются по типу схемы:

Сетевая, с трансформатором, работающим на частоте 50 Гц;

Импульсная, с трансформатором, работающим на высоких частотах (десятки тысяч Гц).

Импульсные схемы блоков питания позволяют увеличить общий КПД конечного изделия, за счет избегания статических потерь на линейных стабилизаторах и прочих элементах.

Бестрансформаторные схемы

Если возникает необходимость питания от бытовой электросети 220 В, простейшие приборы можно включить от блоков питания использующих балластные элементы для понижения напряжения. Широко известным примером такого источника питания является схема с балластным конденсатором.

Однако существует ряд драйверов со встроенным и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в и другой технике.

В случае питания от источника постоянного тока, например, аккумуляторов или других гальванических элементов питания, используют:

Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с, или без проходного транзистора, параметрического стабилизатора из стабилитрона и транзистора)

Импульсного преобразователя (понижающего - BUCK, повышающего - BOOST, или понижающе-повышающего - BUCK-BOOST)

Преимущество бестрансформаторных блоков питания и преобразователей заключаются в следующем:

Нет необходимости мотать трансформатор, преобразование осуществляется за счёт дросселя и ключей;

Следствием из предыдущего являются малые габариты источников питания.

Недостатки:

Отсутствие гальванический развязки, при неисправностях ключей приводит к появлению напряжения первичного источника питания. Это критично особенно если в его роли выступает сеть 220 В;

Опасность поражения электрическим током, как следствие гальванической связи;

Большие габариты дросселя на преобразователях высокой мощности ставят под сомнение целесообразность использования этой топологии блоков питания. При сопоставимых массогабаритных показателях можно использовать уже трансформаторный, гальванически развязанный преобразователь.

В отечественной литературе часто встречается сокращение «ИППН», которое расшифровывается как: Импульсный Понижающий (или повышающий, или и то, и другое) Преобразователь Напряжения

В качестве основы можно выделить три базовые схемы.

1. ИППН1 - Понижающий преобразователь, в англоязычной литературе - BUCK DC CONVERTER или Step-down.

2. ИППН2 - Повышающий преобразователь, в англоязычной литературе - BOOST DC CONVERTER или Step-up.

3. ИППН3 - Инвертирующий преобразователь с возможностью как повышения, так и понижения напряжения, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Как работает импульсный понижающий преобразователь?

Начнем с рассмотрения принципа работы первой схемы - ИППН1 .

В схеме можно выделить два питающих контура:

1. «+» от источника питания подаётся через закрытый ключ (транзистор любого типа соответствующей проводимости) на Lн (накопительный дроссель), далее ток протекает через нагрузку к «-» источника питания.

2. Второй контур образован из Д, дросселя Lн и подключенной нагрузки Rн.

Когда ключ замкнут, ток проходит по первому контуру, через катушку индуктивности протекает ток, и в её магнитном поле накапливается энергия. Когда мы выключаем (размыкаем) ключ, энергия, запасённая в катушке, рассеивается в нагрузку, при этом ток протекает через второй контур.

Напряжение на выходе (нагрузке) такого преобразователя равняется

Uвых=Uвх*Ku

Ku - это коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов силового ключа.

Ku=Uвых/Uвх

Коэффициент заполнения «D» - это отношение времени, когда ключ открыт, к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.

ВАЖНО: Для ИППН1 Ku=D. Это значит, что пределы регулирования данного стабилизатора приблизительно равны - 0…Uвых.

Напряжение на выходе такого преобразователя аналогично по полярности с напряжением на входе.

Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения

ИППН2 - способен повышать напряжение от напряжения питания до величины в десятки раз превышающей его. Схематически он состоит из тех же элементов что и предыдущая.

Любой преобразователь подобного типа в своем составе имеет три основных действующих компонента :

Управляемый ключ (биполярный, полевой, );

Неуправляемый ключ (выпрямительный диод);

Накопительная индуктивность.

Ток всегда протекает через индуктивность, изменяется лишь его величина.

Для того, чтобы понять принцип работы этого преобразователя, нужно вспомнить закон коммутации для катушки индуктивности: "Ток через катушку индуктивности не может измениться моментально".

Это вызвано таким явлением как ЭДС самоиндукции или противо-ЭДС. Так как электромагнитное поле индуктивности препятствует скачкообразному изменению тока, катушку можно представить в виде источника питания. Тогда в это схеме, когда ключ замыкается через катушку начинает протекать ток большой величины, но, как уже было сказано резко он возрасти не может.

Противо-ЭДС это явление, когда на концах катушки возникает ЭДС противоположное тому, что приложено. Если представить это на схеме для наглядности, придется представить катушку индуктивности в виде источника ЭДС.

Под цифрой «1» обозначено состояние схемы, когда ключ замкнут. Обратите внимания что источник питания и условное обозначение ЭДС катушки соединены положительными выводами последовательно, т.е. величины их ЭДС вычитаются. В таком случае индуктивность препятствует прохождению электрического тока, а вернее замедляет его рост. По мере роста, через определенный постоянной времени промежуток, величина противо-ЭДС уменьшается, а ток через индуктивность нарастает.

Лирическое отступление:

Величина ЭДС самоиндукции, как и любое другое ЭДС измеряется в Вольтах.

В этот промежуток времени основной ток протекает по контуру: источник питания-индуктивность-замкнутый ключ.

Когда ключ SA размыкается, схема 2. Ток начинает течь по такому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Так как сопротивление нагрузки, чаще значительно больше, чем сопротивление канала замкнутого транзистора. При этом снова - ток, протекающий через индуктивность не может измениться скачком, индуктивность всегда стремится поддержать направление и величину тока, поэтому возникает снова противо-ЭДС, но уже в обратной полярности.

Обратите внимание, как на второй схеме подключены полюса Источника питания и замещающего катушку источника ЭДС. Они соединены последовательно противоположными полюсами, а величины этих ЭДС складываются.

Таким образом происходит повышение напряжения.

Во время процесса накопления энергии индуктивности нагрузка питается энергией, которая ранее была запасена в сглаживающем конденсаторе.

Коэффициент преобразования в ИППН2 равен

Как видно из формулы - чем больше D - коэффициент заполнения, тем больше выходное напряжение. Полярность выходного питания, совпадает со входным у данного типа преобразователя.

Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирующий преобразователь напряжения довольно интересное устройство, ведь он может работать, как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения. Однако стоит учитывать, что полярность его выходного напряжения противоположна входному, т.е. положительный потенциал оказывается на общем проводе.

Инвертирование также заметно по направлению, в котором включен диод Д. Принцип работы немного похожу на ИППН2. В то время, когда ключ Т замкнут происходит процесс накопления энергии индуктивности, питание от источника не попадает в нагрузку из-за диода Д. Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает рассеиваться в нагрузке.

Ток продолжает течь через индуктивность, возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т.е. в узле соединения эмиттера транзистора (сток, если ), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.

Коэффициент преобразования ИППН3 равен:

Путем несложных подстановок коэффициента заполнения в формулу, мы определим, что до величины D в 0.5, этот преобразователь выступает в роли понижающего, а свыше - повышающего.

Как управлять такими преобразователем?

Описывать все варианты построения ШИМ-контроллеров можно бесконечно долго, об этом можно написать несколько томов технической литературы. Я же, хочу ограничиться перечислением нескольких простых вариантов:

1. Собрать схему несимметричного мультивибратора. Вместо VT3 подключается транзистор в схемах ИППН-ов.

2. Чуть более сложный вариант, но более стабильный в плане частоты - это (для увеличения нажмита на картинку).

На схеме сделать правки, VT1 - это транзистор, изменяем схему так, чтобы на его месте был транзистор ИППН.

3. Вариант использовать , так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут . Есть прекрасный видеоурок об этом.

Выводы

Импульсные преобразователи напряжения - это очень важная тема в отрасли блоков питания для радиоэлектронной аппаратуры. Подобные схемы используются повсеместно, а, в последнее время, с ростом «самодельщиков» или как это сейчас модно называть «DIY’щиков» и популярностью сайта aliexpress такие преобразователи стали особенно популярны и востребованы, вы можете заказать готовую плату ставшего уже классическим, преобразователя на LM2596 и подобных всего за пару долларов, при этом вы получите возможность регулировки напряжения или тока, или и того и другого.

Другая популярная плата - это mini-360

Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствует транзистор. Дело в том, что он встроен в микросхему, кроме него там находится ШИМ-контроллер, цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения и другое. Тем не менее эти схемы могут усиливаться установкой дополнительного транзистора.

Если вам интересно спроектировать схему под ваши нужды, тогда более подробно с расчётными соотношениями вы можете ознакомится в следующей литературе:

«Компоненты для построения источников питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, Группа компаний «Симметрон»

«Стабилизированные транзисторные преобразователи» В.С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.

Функцию преобразования электроэнергии в параметре напряжения могут выполнять разные приборы наподобие генераторов, зарядных и трансформаторных устройств. В той или иной степени все они способны менять характеристики энергии, но не всегда их применение себя оправдывает уже по техническим и эргономическим качествам. Отчасти это связано с тем, что задача трансформации тока для большинства регуляторов не является ключевой - во всяком случае, если говорить и о постоянном, и о переменном токе. Именно эти ограничения мотивировали производителей электротехнического оборудования разработать импульсный преобразователь, который выгодно отличается компактными размерами и точностью стабилизации напряжения.

Определение устройства

Многочисленные радиотехнические приборы, средства автоматизации и обеспечения связи редко обходятся без силовых однофазных и трехфазных аппаратов для трансформации тока в диапазонах от единиц до сотен вольт-ампер. Импульсные же устройства служат для более узких задач. Электротехнический преобразователь импульсного типа - это прибор, который трансформирует напряжение в небольших временных промежутках длительностью порядка 1-2 мк/сек. Импульсы напряжения при этом имеют прямоугольную форму и повторяются с частотой 500-20 000 Гц.

Традиционные преобразователи с возможностью регулировки напряжения на выходе обычно контролируют показатель сопротивления устройства. Это может быть тиристор или транзистор, через который в непрерывном режиме проходит ток. Именно его энергия заставляет устройство контроллера нагреваться, из-за чего теряется часть мощности. На этом фоне импульсный преобразователь напряжения выглядит привлекательнее по своим технико-эксплуатационным свойствам, так как в его конструкции предусматривается минимум частей, что обуславливает снижение электропомех. Регулировочным элементом преобразователя выступает ключ, работающий в разных режимах - например, в открытом и закрытом состоянии. И в обоих случаях выделяется минимальный объем тепловой энергии в процессе работы, что повышает и производительность аппаратуры.

Назначение преобразователя

Всюду, где требуется изменение параметров электроэнергии, в той или иной эксплуатационной конфигурации задействуются импульсные трансформаторы. На первом этапе широкого распространения их задействовали преимущественно в импульсной технике - например, в триодных генераторах, газовых лазерах, магнетронах и дифференцирующей радиоаппаратуре. Далее по мере совершенствования устройства они стали применяться и в большинстве типовых представителей электрооборудования. Причем это не обязательно была специализированная техника. Опять же, в разных исполнениях импульсный преобразователь может присутствовать и в компьютерах, и в телевизорах, в частности.

Еще одна, но уже менее известная функция трансформаторов данного типа - защитная. Сама по себе импульсная регуляция может рассматриваться как защитная мера, но цели у корректировки параметров напряжения изначально стоят другие. Тем не менее специальные модификации обеспечивают защиту аппаратуры от замыканий под нагрузкой. Это особенно касается оборудования, работающего в режимах холостого хода. Также существуют импульсные устройства, предотвращающие перегревы и чрезмерные повышения напряжения.

Конструкция прибора

Преобразователь состоит из нескольких обмоток (минимум - двух). Первая и основная подключается к сети, а вторая направляется к целевому прибору. Обмотки могут выполняться из алюминиевого или медного сплавов, но в обоих случаях, как правило, используется дополнительная лаковая изоляция. Провода наматываются на изоляционную основу, которая фиксируется на сердечнике - магнитопроводе. В низкочастотных преобразователях сердечники изготавливаются из трансформаторной стали или магнитно-мягкого сплава, а в высокочастотных - на основе феррита.

Сам низкочастотный магнитопровод формируется наборами пластин Ш, Г или П-образной формы. Ферритовые сердечники обычно выполняются цельными - такие детали присутствуют в составе сварочных инверторов и трансформаторов гальванической развязки. Маломощные высокочастотные трансформаторы и вовсе обходятся без сердечника, так как его функцию выполняет воздушная среда. Для интеграции в электротехнические приборы конструкция магнитопровода обеспечивается каркасом. Это так называемый блок импульсного преобразователя, который закрывается защитной крышкой с маркировкой и предупреждающими надписями. Если в процессе ремонта потребуется включить аппарат со снятой крышкой, эту операцию выполняют через УЗО или развязывающий трансформатор.

Если говорить о преобразователях, которые используются в современной радио- и электротехнике, то между ними и классическими трансформаторами напряжения будет существенная разница. Наиболее ощутимо снижение габаритов и массы. Импульсные устройства могут весить несколько граммов, причем эксплуатационные характеристики сохраняются на том же уровне.

Особенности эксплуатационных процессов

Как уже отмечалось, для регуляции тока в импульсных трансформаторах применяются ключи, которые сами собой могут становиться источниками высокочастотных помех. Это характерно для стабилизирующих моделей, которые работают в режиме коммутации тока.

В моменты коммутации могут возникать чувствительные перепады тока и напряжения, которые создают условия для противофазных и синфазных помех на входе и выходе. По этой причине импульсный преобразователь питания с функцией стабилизатора предусматривает использование фильтров, устраняющих помехи. Для минимизации нежелательных электромагнитных факторов коммутация ключа выполняется в моменты, когда ключ не проводит ток (при размыкании). Такой способ борьбы с помехами применяется и в резонансных преобразователях.

Еще одной особенностью рабочего процесса рассматриваемых приборов можно назвать отрицательное дифференциальное сопротивление на входе при стабилизации напряжения под нагрузкой. То есть в условиях повышения напряжения на входе ток уменьшается. Данный фактор необходимо брать во внимание для обеспечения устойчивости работы преобразователя, который подключается к источникам с высоким показателем внутреннего сопротивления.

Сравнение с линейным преобразователем

В отличие от линейных устройств, импульсные адаптеры выгодно отличаются более высокой производительностью, компактными размерами и возможностью гальванической развязки цепей на входе и выходе. Для обеспечения дополнительного функционала с привязкой сторонних приборов не требуется применение сложных схем подключения. Но есть и слабые места у импульсного преобразователя в сравнении с линейными трансформаторами. К ним относятся следующие недостатки:

• В условиях изменения входного тока или напряжения под нагрузкой отмечается нестабильность выходного сигнала.
• Наличие уже упомянутых импульсных помех на выходных и входных цепях.
• После резких изменений в параметрах напряжения и тока система дольше восстанавливается при переходных процессах.
• Риск автоколебаний, которые могут повлиять на работоспособность аппаратуры. Причем колебания такого рода связаны не с сетевой нестабильностью источника, а с конфликтами внутри стабилизационной схемы.

Преобразователь DC/DC

Все разновидности импульсных аппаратов системы DC/DC характеризуются тем, что ключи активизируются в процессе трансляции специальных импульсов в направлении транзистора. В дальнейшем по причине растущего напряжения происходит логичное запиранием транзисторов, причем на фоне перезарядки конденсатора. Именно эта особенность отличает устройство коммутации импульсных преобразователей DC-DC от аналогичных приборов в независимом инверторном оборудовании.

Обычно такие устройства выполняют контроль постоянного напряжения под нагрузкой в процессе подведения постоянного тока к сети. Достигается управление такого рода за счет регулировки напряжения на открытом ключе. Небольшие значения тока дают возможность фиксации высокого уровня производительности, при котором КПД может достигать 95 %. Установка пиковых показателей работоспособности системы является существенным плюсом импульсных преобразователей тока, однако реализация схемы DC-DC возможна далеко не в каждой конструкции. В устройстве изначально в качестве источника должна выступать контактная сеть - в частности, данный принцип используется в аккумуляторах и батарейках.

Повышающий преобразователь

С помощью этого трансформатора производится повышение напряжения от 12 до 220 В. Используют его в ситуациях, когда источник с подходящими параметрами питания отсутствует, но нужно обеспечить энергоснабжение прибора от стандартной сети. Иными словами, должен быть введен переходник от источника с одними характеристиками к потребителю с другими требованиями к питанию. Схематические конструкции импульсных преобразователей напряжения 12-220 В допускают подключение приборов, которые работают на частоте 50 Гц. Причем мощность оборудования не должна превышать максимальный силовой показатель трансформатора. И даже в случае соответствия параметров напряжения потребляющее устройство должно иметь защиту от сетевых перегрузок. У такого способа коррекции напряжения есть несколько преимуществ:

• Возможность длительного рабочего сеанса при максимальной загрузке без перерывов.
• Автоматическая регулировка выходной мощности.
• Повышенный КПД обеспечивает и стабильность рабочего режима прибора, и высокую надежность функции электротехнической цепи.

Понижающий импульсный преобразователь

При использовании низкочастотного или маломощного оборудования вполне закономерно может возникнуть и потребность в понижении показателя напряжения. Например, эта задача нередко встречается при подключении светотехнических устройств - например, светодиодной подсветки. Для понижения преобразователь замыкает регулирующий коммутационный ключ, после чего в нем накапливается «лишняя» энергия. Специальный диод в цепи не пускает ток от питающего источника к потребителю. При этом в системах самоиндукции диоды выпрямителей могут пропускать импульсы отрицательного напряжения. В работе импульсных преобразователей 24-12 В особенно важна функция стабилизации на выходе. Задействоваться могут и линейные, и непосредственно импульсные стабилизаторы. Выгоднее использовать устройства второго типа с широтной или частотной модуляцией. В первом случае будет корректироваться продолжительность контролирующих импульсов, а во втором - частота их появления. Также существуют и стабилизаторы со смешанным управлением, при котором оператор сможет при необходимости менять конфигурации регулировки импульсов по частоте и длительности.

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.

Заключение

В чистом виде без подключения вспомогательных устройств наподобие выпрямителей и стабилизаторов функции преобразователя значительно сужаются, хотя эффективность остается на высоком уровне. К устройствам трансформации, которые редко обходятся без дополнительного оборудования, можно отнести регуляторы в сетях переменного тока. Как минимум в этом случае придется устанавливать сглаживающий фильтр и выпрямитель на входе. И напротив, импульсные преобразователи постоянных электрических токов и на входе, и на выходе могут автономно поддерживать свою основную функцию. Но и в таких системах важно, чтобы устройство могло выполнять задачу стабилизации напряжения. Также не стоит забывать о возможных помехах при активном использовании коммутационных ключей в системе стабилизатора. В таких схемах без заземления к блоку преобразователя рекомендуется подключать помехозащитный фильтр.

При самостоятельном проектировании и изготовлении различных электронных устройств, в особенности, если при этом применяются готовые функциональные блоки, часто возникает ситуация, когда этим блокам требуется разное напряжение питания, или уже имеющийся источник питания выдает неподходящее напряжение, а новый источник приобретать по каким-либо причинам не хочется. В этих случаях может помочь преобразователь постоянного напряжения, или так называемый DC-DC преобразователь. На его вход подается то напряжение, которое выдает имеющийся источник питания, а на выходе преобразователя получается необходимое для питания конкретного устройства напряжение.

DC-DC преобразователи бывают трех основных типов: понижающие, повышающие и инвертирующие (универсальные). Последние могут как понижать входное напряжение, так и повышать его. Все эти устройства являются импульсными по принципу своего действия и, как правило, имеют высокий коэффициент полезного действия пр небольших размерах. Частота преобразования в большинстве случаев находится в диапазоне от 100 до 200 кГц. В качестве устройства управления преобразованием используются микросхемы ШИМ-модуляторов. Переключающие импульсные каскады строятся на мощных полевых транзисторах.

В ассортименте компании Мастер Кит представлены преобразователи постоянного напряжения, которые могут удовлетворить практически любые потребности разработчика электроники DIY. В настоящем обзоре мы рассмотрим большинство этих устройств и их основные характеристики. Ассортимент компании постоянно пополняется и изменяется для наиболее полного удовлетворения спроса на электронные модули и блоки, поэтому обзор актуален на дату своего опубликования. Для того, чтобы быть в курсе новинок Мастер Кит подписывайтесь на наши .

В конце обзора вы найдете таблицу, в которой сведены основные характеристики рассматриваемых модулей.

Модуль является универсальным (понижающий/повышающий) DC-DC преобразователем и предназначен для питания приборов постоянным напряжением 12В. Будет оптимальным решением при проблеме падения выходного напряжения на «длинных линиях». Подходит для эксплуатации в уличных условиях, при условии монтажа в корпус типа IP 66.

Особенности:

Универсальный режима преобразования;

Плавная регулировка выходного напряжения от 10 до 15В;

Защита от переполюсовки входного напряжения;

Световая индикация наличия выходного напряжения.

Высокоэффективный импульсный источник питания, обладающий малыми габаритами. Многооборотный переменный резистор позволяет максимально точно настроить требуемое выходное напряжение. Высокий КПД импульсного преобразователя позволяет при минимальных размерах получить высокий выходной ток.

Импульсный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением предназначен для установки в радиолюбительские устройства.

Особенности:

Импульсный режим с частотой преобразования 150 кГц;

Защита по току (превышение мощности);

Высокий КПД;

Высокоэффективный импульсный преобразователь, обладающий малыми габаритами и большим выходным током до 8А. Многооборотный переменный резистор позволяет максимально точно настроить требуемое выходное напряжение, которое может быть выше, чем входное. Высокий КПД импульсного преобразователя позволяет при минимальных размерах получить высокий выходной ток. Будет незаменим в автомобиле при установке мощного усилителя звуковой частоты.

Особенности:

Стабильное выходное напряжение при плавающем входном напряжении;

Частота преобразования 150 кГц;

Плавный пуск;

Ограничение выходного тока;

Защита от перегрева;

Высокий КПД;

Модуль представляет собой понижающий DC-DC преобразователь напряжения. Преобразователь будет полезен для питания электронных устройств большой мощности, при завышенном входном напряжении, например ноутбука, усилителя и т.п. Благодаря наличию регулировки тока модуль может использоваться в качестве модуля заряда Li-Ion или кислотного аккумулятора или стабилизатора тока светодиодных прожекторов или ленты.

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения;

Широкий диапазон установки выходного напряжения;

Настройка ограничения по току;

Высокий КПД;

Компактные размеры;

Модуль представляет собой понижающий DC-DC преобразователь напряжения. Преобразователь будет полезен для питания электронных устройств большой мощности, при завышенном входном напряжении, например ноутбука, усилителя и т.п., а также будет незаменим для изготовления лабораторного однополярного или двухполярного источника питания.

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения;

Широкий диапазон установки выходного напряжения;

Настраиваемая защита по току;

Точность индикации напряжения 0,1 вольта;

Точность индикации тока 0,01 мА;

Индикатор красного свечения;

Высокий КПД;

Компактные размеры;

Широкий диапазон рабочей температуры.

Данный импульсный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением предназначен для питания необходимым напряжением всевозможных электронных устройств. Стабилизатор работает в импульсном режиме на частоте около 150 кГц, имеет мощность 90 Вт с КПД 95%. Совместно с устройством необходимо использовать источник питания с постоянным выходным напряжением в пределах 8…40В при токе 0,1…4А. Максимальные значения напряжения и тока на выходе стабилизатора не будут превышать соответствующих параметров источника питания.

Модуль представляет собой универсальный DC-DC преобразователь напряжения. Преобразователь может работать как в режиме повышения, так и в режиме понижения напряжения. Режим работы выбирается автоматически в зависимости от входного напряжения. Отличное решение для автомобиля и скутера. Будет незаменим для питания планшета или смартфона от генератора велосипеда.

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения;

Широкий диапазон установки выходного напряжения;

Два режима работы повышение/понижение выбирается автоматически модулем;

Плавный пуск;

Высокий КПД;

Компактные размеры;

Широкий диапазон рабочей температуры.

Регулируемый преобразователь напряжения с встроенным вольтметром.

3-х канальный преобразователь напряжения. Вход 5-22В, выходы: 3,3В, 12-30В, 1,25-26В.

Высокоэффективный импульсный источник питания, обладающий малыми габаритами.

Многооборотный переменный резистор позволяет максимально точно настроить требуемое выходное напряжение на двух каналах, которое может быть выше входного. Один канал - это стабилизированное напряжение 3,3 Вольт. Набор выходных напряжений удачно подойдет для питания радиолюбительских конструкций на микроконтроллерах с исполнительными устройствами, например электромагнитными реле или моторизованными шаровыми кранами, которым необходимо напряжение 12В или выше.

Высокоэффективный импульсный преобразователь, обладающий малыми габаритами и большим выходным током до 5А. Многооборотный переменный резистор позволяет максимально точно настроить требуемое выходное напряжение, которое может быть выше, чем входное. Высокий КПД импульсного преобразователя позволяет при минимальных размерах получить высокий выходной ток. Будет незаменим для питания анодного напряжения конструкций на радиолампах, а так же различных приборов для здоровья.

Модуль построен на базе микросхемы микросхемы UC3843. При подключении преобразователя используйте провода как можно большего сечения.

Надеемся, что наш обзор поможет вам выбрать преобразователь напряжения для решения собственных уникальных DIY задач!

Сводная таблица преобразователей постоянного напряжения Мастер Кит