Меню

Преобразователь постоянного тока рисунок

Dc Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем.

Dc Dc преобразователь

Dc Dc преобразователь

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используется Dc Dc преобразователь. Применяется он в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления, автоматики и др.

Питание схем с помощью трансформаторных блоков 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.

Питание схем с помощью Dc Dc преобразователей

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 1,5 В до 5 В (выходное напряжение компьютерного USB).

Dc Dc преобразователь

Dc Dc преобразователь 1,5 В / 5 В

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.

Классификация Dc Dc преобразователей

Вообще Dc Dc преобразователи можно разделить на несколько групп.

Понижающий, 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…50 В. 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 преобразователь иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающий, по английской терминологии step-up или boost

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

Универсальный Dc Dc преобразователь – 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…14 В, а требуется получить стабильное напряжение 12 В.

Инвертирующий Dc Dc преобразователь — 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 для питания ОУ (операционных усилителей).

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 преобразователях следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий Dc Dc преобразователь – преобразователь типа buck

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

Dc Dc преобразователь

Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение U in подается на входной фильтр — конденсатор C in. 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 – LC out, с которого напряжение поступает в нагрузку R н.

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 ниже.

Dc Dc преобразователь

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 широтно-импульсной модуляцией ШИМ (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

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.

Сейчас вернемся к нашему понижающему конвертеру типа buck, полная схема приведена выше.

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

Dc Dc преобразователь
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.

Dc Dc преобразователь

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.

Следует заметить, что на самом деле не все так просто, как написано выше: предполагается, что все компоненты идеальные, т.е. включение и выключение происходит без задержек, а активное сопротивление нулевое. При практическом изготовлении подобных схем приходится учитывать многие нюансы, поскольку очень многое зависит от качества применяемых компонентов и паразитной емкости монтажа. Только про такую простую деталь как дроссель (ну, просто моток провода!) можно написать еще не одну статью.

Читайте также:  Как вычислить ток утечки

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.

Повышающий Dc Dc преобразователь – преобразователь типа boost

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

Dc Dc преобразователь

Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение U in подается на входной фильтр C in и поступает на последовательно соединенные катушку индуктивности L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка R н и шунтирующий конденсатор C out.

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. 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 U in. 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 C out. 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 C out, 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.

Универсальный Dc Dc преобразователь – SEPIC

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.

Dc Dc преобразователь

Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на предыдущем рисунке, 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 ниже.

Dc Dc преобразователь

Принципиальная схема преобразователя SEPIC

Ниже показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Dc Dc преобразователь

Внешний вид преобразователя SEPIC

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

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

Источник

Что такое инвертор, он же преобразователь напряжения с 12 на 220 Вольт?

Простые схемы преобразователей, принципы работы, виды инверторов по
формам выходного напряжения.

Инвертор (в узком электротехническом понимании этого слова) – это устройство для преобразования постоянного тока в переменное с изменением величины действующего значения напряжения. В ещё более узком – преобразователь постоянного напряжения (12, 24 или 48 В) в переменное 220 В.
И наконец, в радикально узком понимании – штуковина, позволяющая запитать от автомобильного аккумулятора различные бытовые приборы, рассчитанные на сетевое питание, а короче – весьма полезный и удобный в хозяйстве прибамбас!

Катушки металлоискателя

По форме выходного напряжения инверторы подразделяются на следующие виды:

  • Постоянное выпрямленное напряжение 220 В или переменное импульсное напряжение высокой частоты (десятки килогерц). Используются такие преобразователи крайне редко, т. к. непригодны для многих источников потребления, мало того, для некоторых могут представлять серьёзную опасность и угрозу полного кирдыка.
  • Меандр 50 Гц. Используются также редко, так как выходное напряжение содержит большое количество высокочастотных составляющих. Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства импульсных источников питания, ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп. Малопригодны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока.
  • Модифицированное синусоидальное напряжение 50Гц. От инверторов с модифицированной синусоидой работает практически всё, но менее эффективно, чем с чистой синусоидой. Некоторые приборы могут больше греться, сильнее гудеть и работать с пониженной мощностью. Нежелательны для работы с электродвигателями и компрессорами, а так же чувствительной радиоаппаратурой с 50-герцовыми трансформаторами.
  • Чистое синусоидальное напряжение. Пригодно без всяких ограничений для любых потребителей электроэнергии!
    Из сказанного выше вытекает, что предпочтительными и более универсальными являются инверторы с выходным напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Причём, для их реализации подходят готовые низкочастотные силовые трансформаторы необходимой номинальной мощности, включённые «задом на перёд». То есть — его вторичная низковольтная обмотка служит первичной, а высоковольтная первичная — вторичной. Именно такие схемы мы и рассмотрим в рамках данной статьи.

    Схема простого преобразователя напряжения 220 В, 50 Гц

    Схема, изображённая на Рис.1, а также комментарии к ней заимствованы из книги М. А. Шустова «Практическая схемотехника», раздел — «Преобразователи напряжения».

    Рис.1 Схема простого преобразователя напряжения 220 В, 50 Гц

    «Максимальная выходная мощность преобразователя — 100 Вт, КПД — до 50%.
    Задающий генератор выполнен по схеме традиционного симметричного мультивибратора, выполненного на транзисторах ѴТ1 и ѴТ2 (КТ815). Выходные каскады преобразователя собраны на составных транзисторах ѴТ3 и ѴТ4 (КТ825). Эти транзисторы устанавливают без изолирующих прокладок на общий радиатор.
    Устройство потребляет от аккумулятора ток до 20 А. В качестве силового использован готовый сетевой трансформатор на 100 Вт (сечение центральной части железного сердечника — около 10 см2). У него должны быть две вторичные обмотки, рассчитанные на 8В/10А каждая. Для того, чтобы частота работы задающего генератора была равна 50 Гц, подбирают номиналы резисторов R1 и R2″.
    Так как мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, а мощные эмиттерные повторители повторяют эту форму, то и в нагрузке будет протекать переменный ток, напоминающий по форме синусоиду и дополнительных мер по сглаживанию не требуется.

    Схема простого преобразователя напряжения 220 В, 50 Гц

    Значительно повысить КПД инвертора можно, если применить в качестве силовых каскадов не повторители напряжения, а транзисторы, работающие в ключевом режиме.
    Такая модификация преобразователя приведена на Рис.2.

    Рис.2 Схема простого преобразователя напряжения с повышенным КПД

    Принцип работы преобразователя такой же, как и у предыдущего устройства. Задающий генератор (Т1, Т2) формирует два пара-фазных напряжения с частотой 50 Гц. Напряжения с выходов задающего генератора подаются на два однотипных ключевых каскада (Т3, Т4), которые коммутируют напряжение на первичной обмотке трансформатора. Поскольку мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, ключевые транзисторы срабатывают с некоторой задержкой, обуславливая формирование на выходе инвертора подобие модифицированного синусоидального напряжения.
    С указанными на схеме элементами выходная мощность преобразователя составляет около 200 Вт. Дальнейшего повышения КПД и увеличения мощности инвертора можно добиться простой заменой биполярных ключевых элементов на мощные MOSFET транзисторы, как это показано на Рис.2.

    Читайте также:  Форсировка электромагнита постоянного тока

    Многочисленные и довольно популярные схемы инверторов, построенные на специализированных микросхемах для импульсных источников питания (типа TL494, TL594 и др.) обладают следующими преимуществами: высоким КПД и не менее высокой стабильность частоты, мало зависящей от напряжения питания и внешних условий.
    Приведём для примера подобную схему импульсного преобразователя напряжения +12V в

    220V мощностью 100W, опубликованную в журнале «Радиоконструктор» — 07 — 17.