Повышающий преобразователь напряжения схема: Повышающие импульсные преобразователи напряжения DC-DC

Повышающие импульсные преобразователи напряжения DC-DC

Казалось бы, всё просто как бублик: слепили из простых и доступных ингредиентов генератор, присовокупили к нему повышающий трансформатор, мостик, всякие там дела… Вот, собственно, и всё — дело сделано, сказка сказана, можно закрывать тему.

— Но мы же не можем прямо тут… У нас же есть какие-то морально-этические принципы…
— Так сегодня ж понедельник!
— Понедельник, конечно, но не до такой же степени. Поэтому говорить будем много, нудно и обстоя- тельно.

А обсудим мы на этой странице повышающие преобразователи напряжения, не омрачённые такими редко любимыми в радиолюбительских кругах моточными изделиями, как силовые (или импульсные) трансформаторы.

Начнём с устройств, выполненных на цепях диодно-конденсаторных умножителей напряжения.

Рис.1

Простой преобразователь напряжения на одной К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме, приведённой на Рис.1. Преобразователь содержит задающий генератор, реализованный на первых двух инверторах КМОП микросхемы DD1, и буферного выходного каскада, предназначенного для увеличения выходного тока преобразователя и выполненного на включённых параллельно оставшихся элементов ИМС.

Диоды VD1, VD2, а так же конденсаторы С2, С3 образуют цепь удвоения напряжения.
При указанных на схеме номиналах элементов — генератор импульсов, работает на частоте 10 кГц. При напряжении питания 10В — выходное напряжение составляет 17В при токе нагрузки 5мА, 16В при токе 10мА, 14,5В при токе 15мА.
Значение КПД и величину выходного напряжения преобразователя можно увеличить за счёт использования в выпрямителе-умножителе напряжения германиевых диодов, либо диодов Шоттки.

А для получения отрицательного выходного напряжения — элементы удвоителя напряжения следует включить в соответствии с правой частью рисунка Рис.1.

Для увеличения мощности повышающих преобразователей между генератором и умножителем вводятся дополнительные биполярные или полевые транзисторы с максимальным допустимым током, превышающим ток нагрузки.

Рис.2

Устройство, представленное на Рис.2, образуют задающий генератор, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2, буферные ступени DD1.3, DD1.4, усилители тока VT1, VT2 и выпрямитель-удвоитель напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С2, СЗ.

При питании преобразователя от источника постоянного тока напряжением 12 В его выходное напряжение при токе нагрузки 30 мА будет около 22 В (напряжение пульсаций — 18 мВ).
При токе нагрузки 100 мА выходное напряжение уменьшается до 21 В, а при 250 мА — до 19,5 В.
Без нагрузки преобразователь потребляет от источника питания ток не более 2 мА.
Транзисторы VT1 и VT2 преобразователя могут быть любыми из указанных на схеме серий, а также ГТ402В или ГТ402Г, ГТ404В или ГТ404Г. С германиевыми транзисторами выходное напряжение преобразователя будет больше примерно на 1 В.

Для получения больших выходных напряжений применяются схемы преобразователей напряжения с многокаскадными умножителями.

Рис.3

На Рис.3 приведена схема экономичного преобразователя напряжения для питания варикапов, опубликованная в журнале Радио №10, 1984, И. Нечаевым.
«Преобразователь не содержит намоточных деталей, экономичен и прост в налаживании. Устройство состоит из генератора прямоугольных импульсов на микросхеме DD1, умножителя напряжения на диодах VD1-VD6 и конденсаторах СЗ-С8, параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах VT1-VT3.
В качестве стабилитронов используются эмиттерные переходы транзисторов. Режим стабилизации наступает при токе 5…10мкА.

Помимо указанных на схеме, в преобразователе можно использовать микросхемы К176ЛЕ5 и К176ЛА9, транзисторы КТ315, КТ316 с любым буквенным индексом, диоды Д9А, Д9В, Д9Ж. Конденсаторы С1-С7 — КЛС или KM, C8 — К50-6 или К50-3, резисторы МЛТ или ВС.
Налаживание преобразователя сводится к подбору транзисторов VT1 — VT3 с требуемым напряжением стабилизации.
При изменении напряжения питания приёмника от 6,5 до 9В потребляемый преобразователем ток увеличивается с 0,8 до 2,2мА, а выходное напряжение — не более чем на 8…10мВ.
При необходимости выходное напряжение преобразователя можно повысить, увеличив число звеньев умножителя напряжения и число транзисторов в стабилизаторе».

В последнее время для преобразования напряжения всё чаще применяют импульсные преобразователи с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.
Как это работает?

Рис.4

На рисунке Рис.4 (слева) изображён импульсный повышающий преобразователь напряжения, способный повышать выходное напряжение от напряжения источника питания до величины в десятки раз превышающей его.

При замыкании ключа, выполненного на транзисторе Т, через цепь: источник питания — индуктивность — замкнутый ключ начинает протекать ток. При этом, в связи с явлением самоиндукции, ток через индуктивность не может измениться моментально, так как в это время идёт постепенный запас энергии (ЭДС) в магнитном поле катушки.

При размыкании ключа — ток начинает течь по другому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Поскольку источник питания и катушка в этой цепи соединены последовательно, то их ЭДС складываются. Таким образом происходит повышение напряжения.

Величина выходного напряжения подобных преобразователей малопредсказуема и зависит от нескольких факторов: сопротивления нагрузки, добротности катушки, и энергии, которая успела запастись в ней за время замыкания ключа. Именно поэтому напряжение в цепи без нагрузки может достигать значительных величин, порой приводящих к пробою ключевого транзистора.

Так как же регулировать напряжение на выходе таких преобразователей?
Очень просто — запасать в дросселе ровно столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы создать необходимое напряжение на нагрузке. Производится это посредством регулировки длительности импульсов открывающих транзистор (временем в течении которого открыт транзистор).

Уровень выходного напряжения преобразователя описывается формулой

U_вых = K×U_вх/(1-D), где
D — это величина, обратная скважности, и равная отношению периода времени, когда ключ открыт, к общему периоду импульсного сигнала, управляющего ключевым транзистором, а
К — коэффициент, прямо пропорциональный сопротивлению нагрузки и обратно пропорциональный сопротивлению открытого ключа, а также сопротивлению потерь катушки индуктивности.
У данного типа преобразователей полярность выходного напряжения, совпадает с полярностью входного.

На рисунке Рис.4 (справа) приведена упрощённая схема инвертирующего преобразователя напряжения, имеющего полезное свойство — работать как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения.

Полярность его выходного напряжения противоположна полярности входного.

Так же как и в предыдущем случае, во время замыкания ключа Т происходит процесс накопления энергии катушкой индуктивности. Диод Д препятствует попаданию напряжению от источника питания в нагрузку.
Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает перетекать в нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции, направлена таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т. е. на верхнем конце обмотки катушки формируется отрицательный потенциал, на противоположном конце — положительный.

Уровень выходного напряжения равен: U_вых = K×U_вх×D/(1-D).

С теорией завязываем, резко переходим к схемам электрическим принципиальным повышающих преобразователей напряжения с индуктивными накопителями на борту.

Рис.5

На Рис.5 приведена очень простая и красивая схема преобразователя напряжения 1,5 в 15 вольт, содержащая всего 2 транзистора, выполняющих как функцию генератора сигнала, управляющего ключевым транзистором, так и самого ключевого транзистора.
Вот что пишет автор конструкции, приведённой в зарубежном издании.

«В качестве источника используется элемент питания напряжением 1,5 В, а на выходе схемы получается напряжение 15 В. Схема ещё хороша тем, что очень проста для повторения и не имеет дефицитных деталей.

Рассмотрим принцип работы. Итак, при замыкании тумблера SA1 на резисторе R1 возникает падение напряжения. Как следствие, через базу транзистора VT1 потечёт ток и оба транзистора (VT1, VT2) будут находится в открытом состоянии. В начальный момент времени, на коллекторе VT2 будет практически нулевое напряжение и через него и катушку L1 потечет нарастающий ток. Этот ток будет непрерывно увеличиваться пока транзистор VT2 не перейдет в режим насыщения. Следствием это будет увеличение напряжения на коллекторе транзистора VT2, что неизменно приведет к возрастанию напряжения на резисторе R2. В результате, транзистор VT1 закроется, после чего закроется и второй транзистор VT2.
После того, как ток прекратит движение через катушку L1, на коллекторе транзистора VT2 образуется большое положительного напряжения, которое двигаясь через диод Шоттки VD1, будет заряжать конденсатор C1. Стабилитрон VD2 в схеме преобразователя напряжения играет роль ограничителя зарядного напряжения на конденсаторе C1 и поддерживает его на уровне 15 В.
После того, как магнитное поле катушки L1 исчезает, напряжение на транзистора VT2 падает до уровня источника питания, т. е. до 1,5 Вольт. После чего оба транзистора переходят в открытое состояние, а через катушку L1 снова потечет нарастающий ток.
Частота работы устройства около 10 кГц. При исправных деталях и правильном монтаже, простой преобразователь напряжения начинает работать сразу. Допускается замена деталей очень близких по характеристикам».

Много разнообразных преобразователей напряжения реализуется на базе интегрального таймера NE555.

Рис.6

Схема одного из вариантов такого преобразователя приведена на Рис.6. Для получения высоковольтных импульсов он использует накопительный дроссель.
«На таймере DA1 собран генератор импульсов с частотой повторения около 40 кГц (она определяется сопротивлением резисторов R1, R2 и емкостью конденсатора С1). Эти импульсы поступают на транзистор VT1, работающий в режиме переключения. Когда он открыт, в катушке индуктивности L1 накапливается энергия за счет протекающего через VTI тока. Когда транзистор закрывается, на катушке L1 возникает импульс напряжения, амплитуда которого в несколько раз превышает напряжение питания (в авторской конструкции она была около 80 В). Эти импульсы напряжения выпрямляются диодом VD1, а выпрямленное напряжение фильтруется, а затем стабилизируется стабилитроном VD2.
Транзистор VT1 желательно подобрать из числа предназначенных для использования в переключающих схемах. Он, в частности, должен иметь высокое допустимое напряжение коллектор-эмиттер (не ниже 100 В). Высокое обратное допустимое напряжение должен иметь и диод VD1.
Стабилитрон VD2 — малой мощности на требуемое выходное напряжение (в авторской конструкции — на 30 В). Таймер DA1 имеет аналог отечественного производства — КР1006ВИ1. Подробной информации о катушке индуктивности в первоисточнике нет. Отмечается лишь, что она выполнена на незамкнутом броневом магнитопроводе из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью медным проводом диаметром 0,1 мм.
При налаживании конструкции может возникнуть необходимость подобрать резистор R3 по наибольшему выпрямленному напряжению».

Рис.7

«Ещё одна схема очень простого преобразователя постоянного напряжения с минимумом элементов, обеспечивающего несколько миллиампер тока напряжением 400…425В при потребляемом токе 80…90 мА от источника 9 В, приведена на Рис.7.
На таймере NE555 выполнен мультивибратор на частоту 14 кГц. КПД устройства сильно зависит от добротности катушки индуктивностью 1 мГн.
Дроссель имеет индуктивность 1000мкГн. Толщина провода не столь важна, поскольку выходной ток схемы ничтожный. Такое устройство может быть пригодно для тех приборов, где нужно получить повышенное напряжение, но размеры ограничены».

Достаточно часто приходится видеть устройства преобразователей на NE555 со встроенной схемой стабилизации выходного напряжения. Однако, кто интересуется, тот знает, что импульсные преобразователи со стабилизацией гораздо лучше работают на недорогих микросхемах серии UC384x, которые представляют из себя широтно-импульсные контроллеры и специально спроектированы для работы в преобразователях постоянного напряжения. Схема такого устройства приведена на Рис.8.

Рис.8

L1 намотана на кольце из порошкового железа d=24мм и содержит 24 витка провода диаметром 1мм. Выходная частота работы микросхемы при указанных номиналах элементов работы — 75-80 кГц.

Устройство было изготовлено и довольно подробно протестировано в сравнении с аналогичным преобразователем на микросхеме NE555 уважаемым Александром Сорокиным на странице форума https://www.drive2.ru/c/470856784697885156/.
Вот что пишет автор:

«Стабилизация выходного напряжения на микросхеме UC3845 работает прекрасно во всем диапазоне нагрузок. Напряжение холостого хода в пределах нормы (19.2 вольта для ноутбука), при 10Вт на выходе напряжение 18,94в, при 85Вт 18,8в т.е. просадка всего 0,1в и это прекрасно».

Ну и конечно не следует обходить вниманием специализированные микросхемы, представляющие собой практически готовые повышающие DC-DC преобразователи. Примером такой ИМС является TL499A (Рис.9).

Рис.9

С помощью этого импульсного источника питания можно получить напряжение от 1,5 до 15V при выходном токе до 50мА, для питания портативной аппаратуры от источника напряжением ЗV (два элемента «АА» или один литиевый элемент).
В основе схемы DC/DC конвертор на микросхеме TL499A. У микросхемы есть два входа, в данном случае используется только один — вывод 3, для подачи входного напряжения с целью его повышения.
Кстати, это напряжение не обязательно должно быть ЗV, может быть и 5V, а может быть и 1,5V (при работе от одного гальванического элемента), потому что минимальное входное напряжение микросхемы 1,1V, а максимальное 10V. При этом выходное напряжение поддерживается стабильным.
Установка и стабилизация выходного напряжения происходит при помощи компаратора (вывод 2), наблюдающего за выходным напряжением, которое поступает на него через делитель на резисторах R2 и R3. Подстроечным резистором R2 выставляется уровень выходного напряжения в диапазоне от 1,5 до 15V.

 

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.

Повышающий импульсный преобразователь

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

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

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

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

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

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

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

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

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

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

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

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

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

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

Узлы и схемы импульсных преобразователей

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

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

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

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

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

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

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

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

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

Преобразователь напряжения 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.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

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

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

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

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

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

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения 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.

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.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

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

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

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.

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.

ПРОСТОЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

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

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

Схема устройства

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

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

Приложил аккумулятор – чуть великоват по длине.

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

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

Подпаял провода и вывел через заднюю стенку наружу корпуса.

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

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

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

Вот такой вид имеет действующий отсек питания:

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

Подборка схем импульсных преобразователей напряжения DC-DC

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

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

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

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

Схема 1. Необычное использование микросхемы MAX232

схема двухполярного преобразователя DC-DC на микросхеме MAX232

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

Схема 2. Простой нестабилизированный преобразователь на двух транзисторах

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

Схема 3. Простой нестабилизированный преобразователь — мультивибратор

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

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

Схема 4. Стабилизированный преобразователь на двух транзисторах

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

Схема 4. Стабилизированный 3 В. → 12 В. DC-DC преобразователь на MAX734

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

Схема 5. Очень простой преобразователь на специализированном чипе

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

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

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

Готовый DC-DC преобразователь на LM2587-12 можно заказать по ссылке

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

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

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

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

Схема 9. DC-DC повышающий преобразователь на MAX1724EZK33

Этот DC-DC преобразователь на микросхеме MAX1724EZK33 от фирмы MAXIM может работать от очень низкого входного напряжения 1.2 В. Например от одного никель — кадмиевого аккумулятора. На выходе получаем стабилизированное напряжение +3.3 В при токе до 150 мА. Работоспособность сохраняется при снижении входного напряжения примерно до 0.9 В. Если вы ходите получить на выходе напряжение +5В то используйте аналогичную микросхему MAX1724EZK50

Схема 10. Импульсный регулируемый стабилизатор на напряжение +2.8 — +5 В

Это понижающий импульсный стабилизатор. работает он от входного напряжения 12.6 В (стандартное напряжение автомобильного аккумулятора). на выходе получаем стабилизированное напряжение от 2.8 до 5 вольт при токе до 500 мА. Стабилизатор собран на микросхеме TL497. Эту недорогую но полезную микросхему можно заказать в Китае. Очевидно, что главное назначение такого стабилизатора — обеспечение питания и зарядки пятивольтовых гаджетов от бортовой сети автомобиля напряжением 12.6 в. Подстроечным резистором R3 можно регулировать выходное напряжение а от номинала резистора R1 зависит порог срабатывания внутренней сземы ограничения тока короткого замыкания. Ток КЗ задается формулой:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Схема 11. Импульсный инвертор постоянного напряжения

Простейшая схема, которую вы можете использовать если в вашей конструкции кроме напряжения питания +5 В нужно еще отрицательное напряжение -5 В. Собрано устройство на микросхеме ICL7660. Ток по цепи -5 В может достигать 20 мА

Схема 12. Нестабилизированный двухступенчатый DC-DC преобразователь напряжения

Схема 13. Импульсный стабилизированный повышающий DC-DC преобразователь напряжения

Это стандартная схема включения MAX1674, взятая из даташита микросхемы. Преобразователь может работать от низкого напряжения питания — вплоть до 1 вольта. На выходе имеем стабильное напряжение +5В при токе до 200 мА. КПД преобразователя составляет 94%. Купить микросхему можно недорого в Китае

Регулируемый повышающий преобразователь напряжения своими руками. Повышающий преобразователь напряжения DC DC

Это DC-DC преобразователь напряжения с 5-13 В на входе, до 12 В выходного постоянного тока 1,5 А. Преобразователь получает меньшее напряжение и дает более высокое на выходе, чтобы использовать там где есть напряжение меньшее требуемых 12 вольт. Часто он используется для увеличения напряжения имеющихся батареек. Это по сути интегральный DC-DC конвертер. Для примера: есть литий-ионный аккумулятор 3,7 В, и его напряжение с помощью данной схемы можно изменить, чтобы обеспечить необходимые 12 В на 1,5 А.

Преобразователь легко построить самостоятельно. Основным компонентом является микросхема MC34063, которая состоит из источника опорного напряжения (температурно-компенсированного), компаратора, генератора с активным контуром ограничения пикового тока, вентиля (элемент «И»), триггера и мощного выходного ключа с драйвером и требуется только несколько дополнительных электронных компонентов в обвязку для того чтобы он был готов. Эта серия микросхем была специально разработана, чтобы включены их в состав различных преобразователей.

Достоинства микросхемы MC34063A

• Работа от 3 до 40 В входа
• Низкий ток в режиме ожидания
• Ограничение тока
• Выходной ток до 1,5 A
• Выходное напряжение регулируемое
• Работа в диапазоне частот до 100 кГц
• Точность 2%

Описание радиоэлементов

• R — Все резисторы 0,25 Вт.
• T — TIP31-NPN силовой транзистор. Весь выходной ток проходит через него.
• L1 — 100 мкГн ферритовые катушки. Если придётся делать самостоятельно, нужно приобрести тороидальные ферритовые кольца наружным диаметром 20 мм и внутренним диаметром 10 мм, тоже 10 мм высотой и проволоку 1 — 1,5 мм толщиной на 0,5 метра, и сделать 5 витков на равных расстояниях. Размеры ферритового кольца не слишком критичны. Разница в несколько (1-3 мм) приемлема.
• D — диод Шоттки должен быть использован обязательно
• TR — многовитковый переменный резистор, который используется здесь для точной настройки выходного напряжения 12 В.
• C — C1 и C3 полярные конденсаторы, поэтому обратите внимание на это при размещении их на печатной плате.

Список деталей для сборки

1. Резисторы: R1 = 0.22 ом x1, R2 = 180 ом x1, R3 = 1,5 K x1, R4 = 12K x1
2. Регулятор: TR1 = 1 кОм, многооборотный
3. Транзистор: T1 = TIP31A или TIP31C
4. Дроссель: L1 = 100 мкГн на ферритовом кольце
5. Диод: D1 — шоттки 1N5821 (21V — 3A), 1N5822 (28V — 3A) или MBR340 (40В — 3A)
6. Конденсаторы: C1 = 100 мкФ / 25V, C2 = 0.001 мкФ, C3 = 2200 мкФ / 25V
7. Микросхема: MC34063
8. Печатная плата 55 x 40 мм

Заметим, что необходимо установить небольшой алюминиевый радиатор на транзистор T1 — TIP31, в противном случае этот транзистор может быть поврежден из-за повышенного нагрева, особенно на больших токах нагрузки. Даташит и рисунок печатной платы

Устройствами с батарейным питанием сейчас уже никого не удивишь, всевозможных игрушек и гаджетов питающихся от аккумулятора или батарейки найдется с десяток в каждом доме. Между тем, мало кто задумывался над количеством разнообразных преобразователей, которые используются для получения необходимых напряжений или токов от стандартных батарей. Эти самые преобразователи делятся на несколько десятков различных групп, каждая со своими особенностями, однако в данный момент времени мы говорим про понижающие и повышающие преобразователи напряжения, которые чаще всего называются AC/DC и DC/DC преобразователями. В большинстве случаев для построения таких конвертеров используются специализированные микросхемы, позволяющие с минимальным количеством обвязки построить преобразователь определенной топологии, благо микросхем питания на рынке сейчас великое множество.

Рассматривать особенности применения данных микросхем можно бесконечно долго, особенно с учетом целой библиотеки даташитов и аппноутов от производителей, а также бесчисленного числа условно-рекламных обзоров от представителей конкурирующих фирм, каждая из которых старается представить свой продукт наиболее качественным и универсальным. В этот раз мы будем использовать дискретные элементы, на которых соберем несколько простейших повышающих DC/DC преобразователей, служащих для того, чтобы запитать небольшое маломощное устройство, к примеру, светодиод, от 1 батарейки с напряжением 1,5 вольт. Данные преобразователи напряжения можно смело считать проектом выходного дня и рекомендовать для сборки тем, кто делает свои первые шаги в удивительный мир электроники.

На данной схеме представлен релаксационный автогенератор, представляющий собой блокинг-генератор со встречным включением обмоток трансформатора. Принцип работы данного преобразователя следующий: при включении, ток протекающий через одну из обмоток трансформатора и эмиттерный переход транзистора — открывает его, в результате чего он открывается и больший ток начинает течь через вторую обмотку трансформатора и открытый транзистор. В результате в обмотке, подключенной к базе транзистора наводится ЭДС, запирающая транзистор и ток через него обрывается. В этот момент энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, в результате явления самоиндукции, высвобождается и через светодиод начинает протекать ток, заставляющий его светиться. Затем процесс повторяется.

Компоненты, из которых можно собрать этот простой повышающий преобразователь напряжения, могут быть совершенно различными. Схема, собранная без ошибок, с огромной долей вероятности будет корректно работать. Мы пробовали использовать даже транзистор МП37Б — преобразователь отлично функционирует! Самым сложным является изготовление трансформатора — его надо намотать сдвоенным проводом на ферритовом колечке, при этом количество витков не играет особой роли и находится в диапазоне от 15 до 30. Меньше — не всегда работает, больше — не имеет смысла. Феррит — любой, брать N87 от Epcos не имеет особого смысла, также как и разыскивать M6000НН отечественного производства. Токи в цепи протекают мизерные, поэтому размер колечка может быть очень небольшим, внешнего диаметра в 10 мм будет более чем достаточно. Резистор сопротивлением около 1 килоома (никакой разницы между резисторами номиналом в 750 Ом и 1,5 КОм обнаружено не было). Транзистор желательно выбрать с минимальным напряжением насыщения, чем оно меньше — тем более разряженную батарейку можно использовать. Экспериментально были проверены: МП 37Б, BC337, 2N3904, MPSh20. Светодиод — любой имеющийся, с оговоркой, что мощный многокристальный будет светиться не в полную силу.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

Размер платы 15 х 30 мм, и может быть уменьшен до менее чем 1 квадратного сантиметра при использовании SMD-компонентов и достаточно маленького трансформатора. Без нагрузки данная схема не работает.

Вторая схема — это типовой степ-ап преобразователь, выполненный на двух транзисторах. Плюсом данной схемы является то, что при её изготовлении не надо мотать трансформатор, а достаточно взять готовый дроссель , но она содержит больше деталей, чем предыдущая.

Принцип работы сводится к тому, что ток через дроссель периодически прерывается транзистором VT2, а энергия самоиндукции направляется через диод в конденсатор C1 и отдается в нагрузку. Опять же, схема работоспособна с совершенно различными компонентами и номиналами элементов. Транзистор VT1 может быть BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диод VD1 — любой диод Шоттки, например, 1N5818. Конденсатор C1 — любого типа, емкостью от 1 до 33 мкФ, больше не имеет смысла, тем более, что можно и вовсе обойтись без него. Резисторы — мощностью 0,125 или 0,25 Вт (хотя можно поставить и мощные проволочные, ватт эдак на 10, но это скорее расточительство чем необходимость) следующих номиналов: R1 — 750 Ом, R2 — 220 КОм, R3 — 100 КОм. При этом, все номиналы резисторов могут быть совершенно свободно заменены на имеющие в наличии в пределах 10-15% от указанных, на работоспособности правильно собранной схемы это не сказывается, однако влияет на минимальное напряжение, при котором может работать наш преобразователь.

Самая важная деталь — дроссель L1, его номинал также может отличаться от 100 до 470 мкГн (экспериментально проверены номиналы до 1 мГн — схема работает стабильно), а ток на который он должен быть рассчитан не превышает 100 мА. Светодиод — любой, опять же с учетом того, что выходная мощность схемы весьма невелика.Правильно собранное устройство сразу же начинает работать и не нуждается в настройке.

Напряжение на выходе можно стабилизировать, установив стабилитрон необходимого номинала параллельно конденсатору C1, однако следует помнить, что при подключении потребителя напряжение может проседать и становиться недостаточным. ВНИМАНИЕ! Без нагрузки данная схема может вырабатывать напряжение в десятки или даже сотни вольт! В случае использования без стабилизируещего элемента на выходе, конденсатор C1 окажется заряжен до максимального напряжения, что в случае последующего подключения нагрузки может привести к её выходу из строя!

Преобразователь также выполнен на плате размером 30 х 15 мм, что позволяет прикрепить его на батарейный отсек типа размера AA. Разводка печатной платы выглядит следующим образом:

Обе простые схемы повышающих преобразователей можно сделать своими руками и с успехом применять в походных условиях, например в фонаре или светильнике для освещения палатки, а также в различных электронных самоделках, для которых критично использование минимального количества элементов питания.

Высоковольтный модуль зажигания применяется для самозащиты и изготовления современной техники. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками. Как это сделать и где можно найти готовые изделия, расскажет эта статья.

Описание

Высоковольтный модуль — это блок с 4 проводами, 2 из которых необходимы для подключения питания. Как видим, ничего сложного.

Если нужен высоковольтный модуль, его можно приобрести в интернет-магазине или изготовить собственными руками. Готовое устройство работает от пальчиковых литиевых батареек с 3,6 до 6 вольт на входе. На выходе может выдаваться мощность в 400 вольт.

Генератор имеет в составе 4 провода. Для проверки качества покупки можно взять модуль литий-ионного аккумулятора на 3,7 вольта. По параметрам между электродами должна пролетать искра до 2 см.

Такие работы необходимо производить особенно аккуратно. Разведите провода высоковольтного модуля и подсоедините их к аккумулятору. При подаче питания отмечается звуковой эффект в виде свиста. Также произойдет разряд, длина воздействия которого — 1,5-2 см.

Как это работает

Демонстрация работы модуля высоковольтного преобразователя может производиться с использованием генератора. Для этого необходимо питание от бесперебойника на 12 вольт и лампа на 25 Вт. При подсоединении проводов она горит полным накалом.

Описание изготовления высоковольтных генераторов

Умение мастерить выручает не раз в жизни. К примеру, хорошие высоковольтные генераторы стоят достаточно дорого. К тому же их сложно достать. Но ведь высоковольтный модуль успешно можно изготовить своими руками. Для этого понадобится шаговый двигатель, который может прекрасно работать в режиме генерации.

Прямо на вал шаговика присоединяют ручку, вращают ее и заряжают телефон в походных условиях. Эту зарядку можно изготовить своими руками за несколько минут.

Усовершенствование моделей

Есть множество подобных изобретений, но мощность их недостаточно высока. Для зарядки телефона нужно как минимум 2 Вт на выходе такого моторчика для старой модели мобильного устройства и не менее 5 Вт — для современного смартфона.

Где взять высоковольтный модуль с хорошей мощностью? Попытаемся его сделать самостоятельно. Подберем удобную ручку вращения для шаговика, все выводы проводов подсоединим по схеме. Результирующие выводы постоянного тока будут идти на ваттметр и на нагрузку, которая подобрана под этот двигатель и под обороты по оптимальным параметрам.

Какую же мощность удастся развить на крупном шаговом двигателе при оборотах в количестве 120 в минуту? Начнем опыт. Ваттметр показывает 0,8 Вт при напряжении 6 вольт и токе 0,11-0,12 ампер. При более быстром вращении пиковая цифра достигает 1 ампера, но это при очень быстрых оборотах.

Следовательно, подобное устройство требует усовершенствования. Нужен преобразователь, повышающий обороты в 3-4 раза, чтобы успешно можно было заряжать телефон в походных условиях.

Для этого применяется коллекторный моторчик. Можно сделать ременную передачу на этот двигатель, чтобы повысить его обороты в 3 раза. Получится установка с диаметром шкива, который в 3 раза больше того, который установлен на шаговом двигателе. Теперь такое устройство будет вращаться в 3 раза быстрее, что позволит достигнуть показателей в 2-2,2 Вт. При этом напряжение — 17 вольт, ток — 0,12-0,13 ампер. Такая мощность уже более значительна. Если устройство закрепить на столе, крутить ручку достаточно просто.

Чем больше обороты, тем больше полезной мощности может выдать генератор.

Делаем электрошокер: подготовка

Электрошоковые устройства могут быть очень мощными. Законом разрешено использовать устройства до 3 Ватт, которые не способны нанести тяжкий вред здоровью, но гарантируют довольно сильный удар током и ожог.

Схема устройства следующая:

• источник питания;
• повышающий преобразователь;
• высоковольтный умножитель напряжения.

Можно использовать обычный литий-ионный аккумулятор компактных размеров, лучше — литий-железофосфатный. Он имеет меньшую емкость при одинаковом весе, а номинальное напряжение составляет 3,2 вольт против 3,7 вольта в литий-ионном варианте.

Такое устройство обладает массой преимуществ:

• При собственной емкости всего в 700 мА/часов такой способен отдавать токи в 30-50 А.
• Имеет срок службы 10-15 лет.
• Способен работать при температуре до -30 градусов без утраты емкости и прочих негативных последствий.
• Экологически чист, безопасен, не вздувается и не взрывается.
• Утрачивает емкость гораздо медленнее.
• Не так чувствителен к параметрам зарядного устройства, может быть заряжен большими токами, не перегреваясь.

Для преобразователя можно использовать готовую модель из Китая. Или изготовить его собственными руками. Самое важное в таком устройстве — трансформатор. Его можно взять от дежурного источника неработающего блока питания компьютера. Желательно, чтобы он был удлиненного типа, что облегчит процесс мотания.

Собираем устройство

Трансформатор нужно разобрать, извлечь сердечник и нагревать его паяльной лампой в течение 5-10 минут. Структура клея ослабеет, и половинкам легче будет разъединиться.

Внутри есть зазор. Удаление половинок в сердечнике сменяется этапом смотки всех заводских обмоток, остается только поверхность голого каркаса.

Правила выполнения намоточных движений

Высоковольтный модуль для электрошокера требует, чтобы была выполнена намотка первичного типа трансформаторной обмотки. Длину провода в 0,5 мм складывают в два раза. Оптимальные показатели диаметра — от 0,4 до 0,7 мм. Потребуется намотать не менее 8 витков и вывести второй конец проводов наружу.

Изолируем намотанную обмотку при помощи нескольких слоев фторопласта или прозрачного скотча. К тонкому поводу, толщина которого не более 0,05 мм, припаивается кусок многожильного провода, помещенного в толстую изоляцию.

Места, где была выполнена пайка, изолируем при помощи термоусадки. Выводим провод и фиксируем его термоклеем, чтобы случайно не оборвать в процессе обмотки.

Наматываем первичную обмотку, по 100-120 витков, чередуя ее с несколькими слоями изоляции. По своему принципу намотка проста: ряд — слева направо, второй — справа налево, с изоляцией между ними. Так повторяем от 10 до 12 раз.

После того, как намотка выполнена, провода срезаются, к ним припаиваются многожильные высоковольтные провода и термоусадка. Все фиксируют посредством нескольких слоев прозрачным скотчем и собирают трансформатор.

Если не хотите так долго наматывать витки, можно приобрести готовые модули в китайских интернет-магазинах по вполне доступной стоимости или изготовить высоковольтный модуль своими руками.

Испытание устройства

Следующая часть умножителя напряжения — высоковольтные диоды и конденсаторы, которые можно взять от компьютерного блока питания. Диоды нужны также высоковольтного типа. Их напряжение должно быть от 4 кВт. Такие элементы также можно приобрести в интернет-магазинах.

Корпусом может служить коробка от фонарика или плеера, но обязательно из диэлектрического материала: пластмассы, бакелита, стеклотекстолита.

Умножитель с высоковольтным преобразователем рекомендуется залить эбокситной смолой, расплавленным воском или термоклеем. Последний может сильно деформировать корпус, если не поместить его в емкость с холодной водой.

Электроды можно взять от обычной вилки. Шокер снабжен предохранительным выключателем для защиты от случайного включения. Для активации устройства его снимают с предохранителя. Загорается индикаторный светодиод, затем нажимают на кнопку.

Высоковольтный модуль — преобразователь напряжения успешно показывает работоспособность в электрошокере. Зарядное устройство построено на базе микросхемы, где на вход модуля подается напряжение в 5 вольт, на выходе в 3,6 вольта. Такая зарядка позволяет питать девайс от любого USB-порта.

С помощью припоя можно сделать защитные разрядники, ограничивающие длину дуги для безопасной работы высоковольтного преобразователя. Шокер готов.

Изготовление высоковольтного модуля из энергосберегающей лампы

И такое устройство можно без труда изготовить своими руками. Вот только где взять высоковольтный модуль? Можно использовать обычную лампочку накаливания. Вначале мотаем не более 80 мотков. Второй слой — 400-600 витков. Между каждым слоем не забываем делать изоляцию из скотча.

Для испытания устройства подключим его через ограничительную лампочку в 35 Вт. Получился достаточно мощный высоковольтный модуль зажигания.

Сферы применения продукции

Где используется высоковольтный модуль? Такие устройства широко используются для изготовления современной аппаратуры, могут служить лабораторным генератором высокого напряжения. С помощью такого устройства можно построить самодельный шокер, систему для поджигания топлива в форсунке или двигателе.

Можно использовать для обеспечения питания портативного счетчика Гейгера, дозиметра, разновидностей аппаратуры, требующей высоких показателей напряжения с питанием, которое имеет небольшую мощность.

Устройство микросхемы включено в режиме «Мультивибратор» при показателях частоты, регулируемой в зависимости от того, каковы характеристики трансформатора. Высокий уровень, который показывает выходной сигнал тока, протекающий по резистору и первичной обмотке трансформатора, способен зарядить конденсатор 10 мкф. Для того, чтобы изготовить электрошок, потребуется устройство трансформатора, коэффициент умножения которого составляет 1 к 400 и выше.

Для получения искры в 1 мм нужны показатели напряжения около 1000 В. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками.

Как обидно, когда компактную схему портит большущий блок батареек. Бо́льшая часть плат требует стабилизированного напряжения 5 В, поэтому приходится использовать не менее 4 алкалиновых батареек AA или 6 NiMH-аккумуляторов и подключать их через понижающий стабилизатор. Решить эту проблему можно воспользовавшись повышающим стабилизатором, который увеличит напряжение и одновременно сделает его стабильным.

При помощи этого модуля вы можете собрать миниатюрное устройство, питающееся хоть от часовой батарейки на 3 В. Лишь бы хватило токоотдачи батарейки. С тем же успехом можно заменить малоёмкую «Крону» на блок из двух пальчиковых или мизинчиковых батареек.

Выходное напряжение задаётся триммером. Диапазон выходных напряжений — 5-28 В. Разметки на триммере нет, поэтому для проверки правильности задания напряжения потребуется вольтметр .

Минимальное входное напряжение модуля — 2,7 В, что позволяет запитывать устройства всего от одного элемента Li-Ion или двух алкалиновых батареек.

Любые преобразования энергии в реальных условиях сопровождаются потерями. Но мы постарались получить как можно более высокий КПД. Для нашего модуля он составляет 0,8…0,9 в зависимости от разности напряжений на входе и выходе, и тока потребителя.

Чтобы легко было понять, есть на выходе напряжение или нет, мы предусмотрели светодиод. Его яркость почти не зависит от выходного напряжения, т.к. запитывается он через специальную схему.

Основой модуля является микросхема .

Подключение

Подключение этого Troyka-модуля отличается от стандартного: вместо трёхпроводного разъёма он имеет два двухконтактных клеммника. Один из них — это входные питание и земля, другой — выходные. Земли входа и выхода электрически соединены друг с другом. Для удобства мы поместили обозначения «GND», «Vin» и «Vout» прямо на плату рядом с клеммниками.

Характеристики

• Входное напряжение: 2,7-14 В
• Выходное напряжение: 5-28 В
• Максимальный выходной ток: 0,8 А
• КПД: 0,8…0,9 в зависимости от разницы напряжений на входе и выходе, и тока
• Габариты: 25,4×25,4 мм

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

Трансформаторные блоки питания

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

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

DC/DC преобразователи

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

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

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

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

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

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

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

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

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

Универсальные преобразователи — SEPIC

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

Инвертирующие преобразователи — inverting converter

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

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

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

Понижающий конвертер чоппер — конвертер типа buck

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

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

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

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

Широтно-импульсная модуляция — ШИМ

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

Рис.3. Импульсы управления

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

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

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

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

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

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

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

Рис.4. Фаза 1

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

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

Рис.5. Фаза 2

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

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

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

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

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

Повышающие step-up или boost преобразователи

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

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

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

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

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

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

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

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

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

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

Простой повышающий преобразователь напряжения dc dc

Устройствами с батарейным питанием сейчас уже никого не удивишь, всевозможных игрушек и гаджетов питающихся от аккумулятора или батарейки найдется с десяток в каждом доме. Между тем, мало кто задумывался над количеством разнообразных преобразователей, которые используются для получения необходимых напряжений или токов от стандартных батарей. Эти самые преобразователи делятся на несколько десятков различных групп, каждая со своими особенностями, однако в данный момент времени мы говорим про понижающие и повышающие преобразователи напряжения, которые чаще всего называются AC/DC и DC/DC преобразователями. В большинстве случаев для построения таких конвертеров используются специализированные микросхемы, позволяющие с минимальным количеством обвязки построить преобразователь определенной топологии, благо микросхем питания на рынке сейчас великое множество.

Рассматривать особенности применения данных микросхем можно бесконечно долго, особенно с учетом целой библиотеки даташитов и аппноутов от производителей, а также бесчисленного числа условно-рекламных обзоров от представителей конкурирующих фирм, каждая из которых старается представить свой продукт наиболее качественным и универсальным. В этот раз мы будем использовать дискретные элементы, на которых соберем несколько простейших повышающих DC/DC преобразователей, служащих для того, чтобы запитать небольшое маломощное устройство, к примеру, светодиод, от 1 батарейки с напряжением 1,5 вольт. Данные преобразователи напряжения можно смело считать проектом выходного дня и рекомендовать для сборки тем, кто делает свои первые шаги в удивительный мир электроники.

Итак, схема первая:

На данной схеме представлен релаксационный автогенератор, представляющий собой блокинг-генератор со встречным включением обмоток трансформатора. Принцип работы данного преобразователя следующий: при включении , ток протекающий через одну из обмоток трансформатора и эмиттерный переход транзистора – открывает его, в результате чего он открывается и больший ток начинает течь через вторую обмотку трансформатора и открытый транзистор. В результате в обмотке, подключенной к базе транзистора наводится ЭДС, запирающая транзистор и ток через него обрывается. В этот момент энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, в результате явления самоиндукции, высвобождается и через светодиод начинает протекать ток, заставляющий его светиться. Затем процесс повторяется.

Компоненты, из которых можно собрать этот простой повышающий преобразователь напряжения, могут быть совершенно различными. Схема, собранная без ошибок, с огромной долей вероятности будет корректно работать. Мы пробовали использовать даже транзистор МП37Б – преобразователь отлично функционирует! Самым сложным является изготовление трансформатора – его надо намотать сдвоенным проводом на ферритовом колечке, при этом количество витков не играет особой роли и находится в диапазоне от 15 до 30. Меньше – не всегда работает, больше – не имеет смысла. Феррит – любой, брать N87 от Epcos не имеет особого смысла, также как и разыскивать M6000НН отечественного производства. Токи в цепи протекают мизерные, поэтому размер колечка может быть очень небольшим, внешнего диаметра в 10 мм будет более чем достаточно. Резистор сопротивлением около 1 килоома (никакой разницы между резисторами номиналом в 750 Ом и 1,5 КОм обнаружено не было). Транзистор желательно выбрать с минимальным напряжением насыщения, чем оно меньше – тем более разряженную батарейку можно использовать. Экспериментально были проверены: МП 37Б, BC337, 2N3904, MPSh20. Светодиод – любой имеющийся, с оговоркой, что мощный многокристальный будет светиться не в полную силу.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

Размер платы 15 х 30 мм, и может быть уменьшен до менее чем 1 квадратного сантиметра при использовании SMD-компонентов и достаточно маленького трансформатора. Без нагрузки данная схема не работает.

Вторая схема – это типовой степ-ап преобразователь, выполненный на двух транзисторах. Плюсом данной схемы является то, что при её изготовлении не надо мотать трансформатор, а достаточно взять готовый дроссель, но она содержит больше деталей, чем предыдущая.

Принцип работы сводится к тому, что ток через дроссель периодически прерывается транзистором VT2, а энергия самоиндукции направляется через диод в конденсатор C1 и отдается в нагрузку. Опять же, схема работоспособна с совершенно различными компонентами и номиналами элементов. Транзистор VT1 может быть BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диод VD1 – любой диод Шоттки, например, 1N5818. Конденсатор C1 – любого типа, емкостью от 1 до 33 мкФ, больше не имеет смысла, тем более, что можно и вовсе обойтись без него. Резисторы – мощностью 0,125 или 0,25 Вт (хотя можно поставить и мощные проволочные, ватт эдак на 10, но это скорее расточительство чем необходимость) следующих номиналов: R1 – 750 Ом, R2 – 220 КОм, R3 – 100 КОм. При этом, все номиналы резисторов могут быть совершенно свободно заменены на имеющие в наличии в пределах 10-15% от указанных, на работоспособности правильно собранной схемы это не сказывается, однако влияет на минимальное напряжение, при котором может работать наш преобразователь.

Самая важная деталь – дроссель L1, его номинал также может отличаться от 100 до 470 мкГн (экспериментально проверены номиналы до 1 мГн – схема работает стабильно ), а ток на который он должен быть рассчитан не превышает 100 мА. Светодиод – любой, опять же с учетом того, что выходная мощность схемы весьма невелика.Правильно собранное устройство сразу же начинает работать и не нуждается в настройке.

Напряжение на выходе можно стабилизировать, установив стабилитрон необходимого номинала параллельно конденсатору C1, однако следует помнить, что при подключении потребителя напряжение может проседать и становиться недостаточным. ВНИМАНИЕ! Без нагрузки данная схема может вырабатывать напряжение в десятки или даже сотни вольт! В случае использования без стабилизируещего элемента на выходе, конденсатор C1 окажется заряжен до максимального напряжения, что в случае последующего подключения нагрузки может привести к её выходу из строя!

Преобразователь также выполнен на плате размером 30 х 15 мм, что позволяет прикрепить его на батарейный отсек типа размера AA. Разводка печатной платы выглядит следующим образом:

Обе простые схемы повышающих преобразователей можно сделать своими руками и с успехом применять в походных условиях, например в фонаре или светильнике для освещения палатки, а также в различных электронных самоделках, для которых критично использование минимального количества элементов питания.

Казалось бы, всё просто как бублик: слепили из простых и доступных ингредиентов генератор, присовокупили к нему повышающий трансформатор, мостик, всякие там дела. Вот, собственно, и всё – дело сделано, сказка сказана, можно закрывать тему.

– Но мы же не можем прямо тут. У нас же есть какие-то морально-этические принципы.
– Так сегодня ж понедельник!
– Понедельник, конечно, но не до такой же степени. Поэтому говорить будем много, нудно и обстоя- тельно.

А обсудим мы на этой странице повышающие преобразователи напряжения, не омрачённые такими редко любимыми в радиолюбительских кругах моточными изделиями, как силовые (или импульсные) трансформаторы.

Начнём с устройств, выполненных на цепях диодно-конденсаторных умножителей напряжения.

Рис.1

Простой преобразователь напряжения на одной К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме, приведённой на Рис.1. Преобразователь содержит задающий генератор, реализованный на первых двух инверторах КМОП микросхемы DD1, и буферного выходного каскада, предназначенного для увеличения выходного тока преобразователя и выполненного на включённых параллельно оставшихся элементов ИМС.
Диоды VD1, VD2, а так же конденсаторы С2, С3 образуют цепь удвоения напряжения.
При указанных на схеме номиналах элементов – генератор импульсов, работает на частоте 10 кГц. При напряжении питания 10В – выходное напряжение составляет 17В при токе нагрузки 5мА, 16В при токе 10мА, 14,5В при токе 15мА.
Значение КПД и величину выходного напряжения преобразователя можно увеличить за счёт использования в выпрямителе-умножителе напряжения германиевых диодов, либо диодов Шоттки.
А для получения отрицательного выходного напряжения – элементы удвоителя напряжения следует включить в соответствии с правой частью рисунка Рис.1.

Для увеличения мощности повышающих преобразователей между генератором и умножителем вводятся дополнительные биполярные или полевые транзисторы с максимальным допустимым током, превышающим ток нагрузки.

Рис.2

Устройство, представленное на Рис.2, образуют задающий генератор, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2, буферные ступени DD1.3, DD1.4, усилители тока VT1, VT2 и выпрямитель-удвоитель напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С2, СЗ.
При питании преобразователя от источника постоянного тока напряжением 12 В его выходное напряжение при токе нагрузки 30 мА будет около 22 В (напряжение пульсаций — 18 мВ).
При токе нагрузки 100 мА выходное напряжение уменьшается до 21 В, а при 250 мА — до 19,5 В.
Без нагрузки преобразователь потребляет от источника питания ток не более 2 мА.
Транзисторы VT1 и VT2 преобразователя могут быть любыми из указанных на схеме серий, а также ГТ402В или ГТ402Г, ГТ404В или ГТ404Г. С германиевыми транзисторами выходное напряжение преобразователя будет больше примерно на 1 В.

Для получения больших выходных напряжений применяются схемы преобразователей напряжения с многокаскадными умножителями.

Рис.3

На Рис.3 приведена схема экономичного преобразователя напряжения для питания варикапов, опубликованная в журнале Радио №10, 1984, И. Нечаевым.
«Преобразователь не содержит намоточных деталей, экономичен и прост в налаживании. Устройство состоит из генератора прямоугольных импульсов на микросхеме DD1, умножителя напряжения на диодах VD1-VD6 и конденсаторах СЗ-С8, параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах VT1-VT3.
В качестве стабилитронов используются эмиттерные переходы транзисторов. Режим стабилизации наступает при токе 5. 10мкА.
Помимо указанных на схеме, в преобразователе можно использовать микросхемы К176ЛЕ5 и К176ЛА9, транзисторы КТ315, КТ316 с любым буквенным индексом, диоды Д9А, Д9В, Д9Ж. Конденсаторы С1-С7 – КЛС или KM, C8 – К50-6 или К50-3, резисторы МЛТ или ВС.
Налаживание преобразователя сводится к подбору транзисторов VT1 – VT3 с требуемым напряжением стабилизации.
При изменении напряжения питания приёмника от 6,5 до 9В потребляемый преобразователем ток увеличивается с 0,8 до 2,2мА, а выходное напряжение – не более чем на 8. 10мВ.
При необходимости выходное напряжение преобразователя можно повысить, увеличив число звеньев умножителя напряжения и число транзисторов в стабилизаторе».

В последнее время для преобразования напряжения всё чаще применяют импульсные преобразователи с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.
Как это работает?

Рис.4

На рисунке Рис.4 (слева) изображён импульсный повышающий преобразователь напряжения, способный повышать выходное напряжение от напряжения источника питания до величины в десятки раз превышающей его.

При замыкании ключа, выполненного на транзисторе Т, через цепь: источник питания – индуктивность – замкнутый ключ начинает протекать ток. При этом, в связи с явлением самоиндукции, ток через индуктивность не может измениться моментально, так как в это время идёт постепенный запас энергии (ЭДС) в магнитном поле катушки.

При размыкании ключа – ток начинает течь по другому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Поскольку источник питания и катушка в этой цепи соединены последовательно, то их ЭДС складываются. Таким образом происходит повышение напряжения.

Величина выходного напряжения подобных преобразователей малопредсказуема и зависит от нескольких факторов: сопротивления нагрузки, добротности катушки, и энергии, которая успела запастись в ней за время замыкания ключа. Именно поэтому напряжение в цепи без нагрузки может достигать значительных величин, порой приводящих к пробою ключевого транзистора.

Так как же регулировать напряжение на выходе таких преобразователей?
Очень просто – запасать в дросселе ровно столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы создать необходимое напряжение на нагрузке. Производится это посредством регулировки длительности импульсов открывающих транзистор (временем в течении которого открыт транзистор).

Уровень выходного напряжения преобразователя описывается формулой U_вых = K×U_вх/(1-D), где
D – это величина, обратная скважности, и равная отношению периода времени, когда ключ открыт, к общему периоду импульсного сигнала, управляющего ключевым транзистором, а
К – коэффициент, прямо пропорциональный сопротивлению нагрузки и обратно пропорциональный сопротивлению открытого ключа, а также сопротивлению потерь катушки индуктивности.
У данного типа преобразователей полярность выходного напряжения, совпадает с полярностью входного.

На рисунке Рис.4 (справа) приведена упрощённая схема инвертирующего преобразователя напряжения, имеющего полезное свойство – работать как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения.
Полярность его выходного напряжения противоположна полярности входного.

Так же как и в предыдущем случае, во время замыкания ключа Т происходит процесс накопления энергии катушкой индуктивности. Диод Д препятствует попаданию напряжению от источника питания в нагрузку.
Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает перетекать в нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции, направлена таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т. е. на верхнем конце обмотки катушки формируется отрицательный потенциал, на противоположном конце – положительный.

Уровень выходного напряжения равен: U_вых = K×U_вх×D/(1-D).

С теорией завязываем, резко переходим к схемам электрическим принципиальным повышающих преобразователей напряжения с индуктивными накопителями на борту.

Рис.5

На Рис.5 приведена очень простая и красивая схема преобразователя напряжения 1,5 в 15 вольт, содержащая всего 2 транзистора, выполняющих как функцию генератора сигнала, управляющего ключевым транзистором, так и самого ключевого транзистора.
Вот что пишет автор конструкции, приведённой в зарубежном издании.

«В качестве источника используется элемент питания напряжением 1,5 В, а на выходе схемы получается напряжение 15 В. Схема ещё хороша тем, что очень проста для повторения и не имеет дефицитных деталей.
Рассмотрим принцип работы. Итак, при замыкании тумблера SA1 на резисторе R1 возникает падение напряжения. Как следствие, через базу транзистора VT1 потечёт ток и оба транзистора (VT1, VT2) будут находится в открытом состоянии. В начальный момент времени, на коллекторе VT2 будет практически нулевое напряжение и через него и катушку L1 потечет нарастающий ток. Этот ток будет непрерывно увеличиваться пока транзистор VT2 не перейдет в режим насыщения. Следствием это будет увеличение напряжения на коллекторе транзистора VT2, что неизменно приведет к возрастанию напряжения на резисторе R2. В результате, транзистор VT1 закроется, после чего закроется и второй транзистор VT2.
После того, как ток прекратит движение через катушку L1, на коллекторе транзистора VT2 образуется большое положительного напряжения, которое двигаясь через диод Шоттки VD1, будет заряжать конденсатор C1. Стабилитрон VD2 в схеме преобразователя напряжения играет роль ограничителя зарядного напряжения на конденсаторе C1 и поддерживает его на уровне 15 В.
После того, как магнитное поле катушки L1 исчезает, напряжение на транзистора VT2 падает до уровня источника питания, т. е. до 1,5 Вольт. После чего оба транзистора переходят в открытое состояние, а через катушку L1 снова потечет нарастающий ток.
Частота работы устройства около 10 кГц. При исправных деталях и правильном монтаже, простой преобразователь напряжения начинает работать сразу. Допускается замена деталей очень близких по характеристикам».

Много разнообразных преобразователей напряжения реализуется на базе интегрального таймера NE555.

Рис.6

Схема одного из вариантов такого преобразователя приведена на Рис.6. Для получения высоковольтных импульсов он использует накопительный дроссель.
«На таймере DA1 собран генератор импульсов с частотой повторения около 40 кГц (она определяется сопротивлением резисторов R1, R2 и емкостью конденсатора С1). Эти импульсы поступают на транзистор VT1, работающий в режиме переключения. Когда он открыт, в катушке индуктивности L1 накапливается энергия за счет протекающего через VTI тока. Когда транзистор закрывается, на катушке L1 возникает импульс напряжения, амплитуда которого в несколько раз превышает напряжение питания (в авторской конструкции она была около 80 В). Эти импульсы напряжения выпрямляются диодом VD1, а выпрямленное напряжение фильтруется, а затем стабилизируется стабилитроном VD2.
Транзистор VT1 желательно подобрать из числа предназначенных для использования в переключающих схемах. Он, в частности, должен иметь высокое допустимое напряжение коллектор-эмиттер (не ниже 100 В). Высокое обратное допустимое напряжение должен иметь и диод VD1.
Стабилитрон VD2 — малой мощности на требуемое выходное напряжение (в авторской конструкции — на 30 В). Таймер DA1 имеет аналог отечественного производства — КР1006ВИ1. Подробной информации о катушке индуктивности в первоисточнике нет. Отмечается лишь, что она выполнена на незамкнутом броневом магнитопроводе из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью медным проводом диаметром 0,1 мм.
При налаживании конструкции может возникнуть необходимость подобрать резистор R3 по наибольшему выпрямленному напряжению».

Рис.7

«Ещё одна схема очень простого преобразователя постоянного напряжения с минимумом элементов, обеспечивающего несколько миллиампер тока напряжением 400. 425В при потребляемом токе 80. 90 мА от источника 9 В, приведена на Рис.7.
На таймере NE555 выполнен мультивибратор на частоту 14 кГц. КПД устройства сильно зависит от добротности катушки индуктивностью 1 мГн.
Дроссель имеет индуктивность 1000мкГн. Толщина провода не столь важна, поскольку выходной ток схемы ничтожный. Такое устройство может быть пригодно для тех приборов, где нужно получить повышенное напряжение, но размеры ограничены».

Достаточно часто приходится видеть устройства преобразователей на NE555 со встроенной схемой стабилизации выходного напряжения. Однако, кто интересуется, тот знает, что импульсные преобразователи со стабилизацией гораздо лучше работают на недорогих микросхемах серии UC384x, которые представляют из себя широтно-импульсные контроллеры и специально спроектированы для работы в преобразователях постоянного напряжения. Схема такого устройства приведена на Рис.8.

Рис.8

L1 намотана на кольце из порошкового железа d=24мм и содержит 24 витка провода диаметром 1мм. Выходная частота работы микросхемы при указанных номиналах элементов работы – 75-80 кГц.

Устройство было изготовлено и довольно подробно протестировано в сравнении с аналогичным преобразователем на микросхеме NE555 уважаемым Александром Сорокиным на странице форума https://www.drive2.ru/c/470856784697885156/.
Вот что пишет автор:

«Стабилизация выходного напряжения на микросхеме UC3845 работает прекрасно во всем диапазоне нагрузок. Напряжение холостого хода в пределах нормы (19.2 вольта для ноутбука), при 10Вт на выходе напряжение 18,94в, при 85Вт 18,8в т.е. просадка всего 0,1в и это прекрасно».

Ну и конечно не следует обходить вниманием специализированные микросхемы, представляющие собой практически готовые повышающие DC-DC преобразователи. Примером такой ИМС является TL499A (Рис.9).

Рис.9

С помощью этого импульсного источника питания можно получить напряжение от 1,5 до 15V при выходном токе до 50мА, для питания портативной аппаратуры от источника напряжением ЗV (два элемента «АА» или один литиевый элемент).
В основе схемы DC/DC конвертор на микросхеме TL499A. У микросхемы есть два входа, в данном случае используется только один – вывод 3, для подачи входного напряжения с целью его повышения.
Кстати, это напряжение не обязательно должно быть ЗV, может быть и 5V, а может быть и 1,5V (при работе от одного гальванического элемента), потому что минимальное входное напряжение микросхемы 1,1V, а максимальное 10V. При этом выходное напряжение поддерживается стабильным.
Установка и стабилизация выходного напряжения происходит при помощи компаратора (вывод 2), наблюдающего за выходным напряжением, которое поступает на него через делитель на резисторах R2 и R3. Подстроечным резистором R2 выставляется уровень выходного напряжения в диапазоне от 1,5 до 15V.

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

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

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

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

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

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

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

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

Мощный DC-DC преобразователь

Сегодня рассмотрим очередной DC-DC преобразователь напряжения который позволит заряжать или питать ноутбук от автомобильной бортовой сети 12 вольт.  Схем похожих преобразователей в сети очень много, мы рассмотрим на мой взгляд один из лучших вариантов.  Ещё инверторы такого планы часто применяются для питания мощных светодиодов от пониженного источника поэтому некоторые образцы имеют функцию ограничения тока.

Зачем делать то, что можно купить, ещё и за несколько долларов, такие вопросы задают многие люди…, отвечу просто,  во-первых, собрать своими руками гораздо быстрее, чем ждать пару месяцев посылку из Китая и, во-вторых ничто не сравнится с той радостью, которую приносит работа конструкции которою ты создал собственными руками.  Плюс ко всему наша конструкция будет надёжная.

Давайте рассмотрим схему и принцип её работы.

Это однотактный, повышающий стабилизатор напряжения с защитой от коротких замыканий, в просто народи — Бустер. Принцип работы схож с обратно — ходовым преобразователем, но у последнего дроссель состоит минимум из двух обмоток и между ними имеется гальваническая развязка.

Основой схемы является популярнейший однотактный ШИМ-контроллер из семейства UC38, в данном случае это UC3843.  На вход схемы подаем напряжение, скажем 12 Вольт, а на выходе получаем 19, которые необходимо для зарядки почти любого ноутбука.

Вообще диапазон входных и выходных напряжений для этой схемы довольно широк, вращением подстроечного многооборотного резистора R8 с лёгкостью можно получить иные напряжения на выходе. Я выставил чуть меньше 18, так как данный преобразователь мне нужен для иных целей.

Микросхема генерирует прямоугольные импульсы с частотой около 120-125 килогерц, этот сигнал поступает на затвор ключа и тот срабатывает. Когда открыт транзистор в дросселе накапливается некоторая энергия, после закрытия ключа дроссель отдаёт накопленную энергию, это явление называют самоиндукцией, которая свойственна индуктивным нагрузкам.

Важно заметить, что напряжение самоиндукции может быть в разы, а то и в десятки раз больше напряжения питания, всё зависит от индуктивности конкретного дросселя.  На выходе схемы установлен однополупериодный выпрямитель для выпрямления всплесков самоиндукции в постоянный ток , который накапливается в выходных конденсаторах.

Питание нагрузки осуществляется запасенной в конденсаторах энергией, такой инвертор очень экономичен благодаря ШИМ управлению, потребление холостого хода всего 15-20 миллиампер.

Используя осциллограф мы можем увидеть, как меняется скважность импульсов на затворе полевого транзистора в зависимости от выходной нагрузки, чем больше выходная мощность, тем больше длиться рабочий цикл транзистора, то есть в дроссель поступает больше энергии, а следовательно больше и энергия самоиндукции.

Теперь о конструкции…  Микросхема — ШИМ установлена на панельку для без паечного монтажа, если собираетесь использовать такой преобразователь в автомобиле, то советую микросхему запаять непосредственно на плату, так как в машине всегда есть вибрация.

Полевой транзистор… Тут большой выбор, использовать можно ключи с током от 20 ампер напряжением не менее 50 вольт. Я просто воткнул мой любимый IRFZ44, которого с головой хватит.

Кстати о мощности…, В принципе схема может отдать 150 вт без проблем, но естественно для этого нужен более мощный транзистор скажем irf3205 и соответствующий дроссель, в моём варианте схема будет под нагрузкой не более 50 Ватт, хотя с таким раскладом компонентов 100 Ватт снять можно.

Далее по счёту идёт накопительный дроссель, его индуктивность 40 мкГн, ничего не мотал, просто взял один из дросселей выходного фильтра компьютерного блока питания. Диаметр провода 0,9 мм. Количество витков 25. В принципе он особо не критичен, индуктивность может отличаться, размеры кольца и количество витков тоже.

Введите электронную почту и получайте письма с новыми поделками.

Выходной выпрямитель — это сдвоенный Диод шоттки, подойдут сборки с током от 10 ампер с обратным напряжением не менее 40-45 Вольт.
Схема имеет защиту от коротких замыканий, она построена на базе датчика тока в лице низкоомного резистора подключённого в цепь истока полевого ключа, в моём случае это 2-х ваттный резистор сопротивлением 0,1 Ом.После окончательной сборки транзистор и выпрямитель устанавливают на общий теплоотвод не забываем и про изоляцию между ними. Печатная плата довольно компактная, монтаж плотный.

Печатную плату в формате lay. можно скачать здесь.

Автор; АКА Касьян.

Что такое повышающий преобразователь? Основы, работа, эксплуатация и конструкция повышающих преобразователей постоянного тока

Мы все сталкивались с неприятными ситуациями, когда нам требовалось немного более высокое напряжение, чем могут обеспечить наши блоки питания. Нам нужно 12 вольт, но у нас есть только батарея на 9 вольт. Или, может быть, у нас есть источник питания 3,3 В, когда нашему чипу требуется 5 В. Это тоже, в большинстве случаев, текущий розыгрыш вполне приличный.

В конце концов, мы задаемся вопросом, возможно ли преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое ?

К счастью для нас, ответ — да.Можно преобразовать одно постоянное напряжение в другое, однако методы несколько хитры.

И нет, это не преобразование постоянного тока в переменный и обратно. Поскольку он включает в себя слишком много шагов. Все, что имеет слишком много шагов, неэффективно; это тоже хороший жизненный урок.

Войдите в мир импульсных преобразователей постоянного тока !

Их называют режимом переключения, потому что обычно есть полупроводниковый переключатель, который очень быстро включается и выключается.

Что такое повышающий преобразователь?

Повышающий преобразователь — один из простейших типов импульсного преобразователя типа . Как следует из названия, он принимает входное напряжение и увеличивает или увеличивает его. Все, что он состоит из катушки индуктивности, полупроводникового переключателя (в наши дни это полевой МОП-транзистор, так как сейчас можно получить действительно хорошие), диода и конденсатора. Также необходим источник периодической прямоугольной волны.Это может быть что-то простое, например, таймер 555, или даже специальная микросхема SMPS, такая как знаменитая микросхема MC34063A.

Как видите, для создания повышающего преобразователя требуется всего несколько деталей. Он менее громоздкий, чем трансформатор переменного тока или катушка индуктивности.

Они такие простые, потому что изначально были разработаны в 1960-х годах для питания электронных систем самолетов. Требовалось, чтобы эти преобразователи были как можно более компактными и эффективными.

Самым большим преимуществом повышающих преобразователей является их высокая эффективность — некоторые из них могут даже доходить до 99%! Другими словами, 99% входной энергии преобразуется в полезную выходную энергию, только 1% теряется.

Как работает повышающий преобразователь?

Пора сделать действительно глубокий вдох, мы собираемся окунуться в глубины силовой электроники. Сразу скажу, что это очень полезная область.

Чтобы понять принцип работы повышающего преобразователя, необходимо знать, как работают катушки индуктивности, полевые МОП-транзисторы, диоды и конденсаторы.

Обладая этими знаниями, мы можем шаг за шагом пройти процедуру настройки повышающего преобразователя .

ШАГ — 1

Здесь ничего не происходит. Выходной конденсатор заряжается до входного напряжения минус одно падение на диоде.

ШАГ — 2

А теперь пора включить выключатель. Наш источник сигнала переходит в высокий уровень, включается полевой МОП-транзистор. Весь ток отводится на полевой МОП-транзистор через катушку индуктивности.Обратите внимание, что выходной конденсатор остается заряженным, поскольку он не может разрядиться через диод с обратным смещением.

Источник питания, конечно, не замыкается сразу, поскольку индуктор относительно медленно увеличивает ток. Кроме того, вокруг индуктора создается магнитное поле. Обратите внимание на полярность напряжения, приложенного к катушке индуктивности.

ШАГ — 3

MOSFET выключается, и ток в катушке индуктивности резко прекращается.

Сама природа индуктора заключается в поддержании плавного протекания тока; он не любит резких перепадов тока. Так что не любит резкое отключение тока. Он реагирует на это, генерируя большое напряжение с противоположной полярностью напряжения, первоначально подаваемого на него, используя энергию, запасенную в магнитном поле, для поддержания этого тока.

Если мы забудем остальные элементы схемы и обратим внимание только на символы полярности, мы заметим, что индуктор теперь действует как источник напряжения последовательно с напряжением питания.Это означает, что анод диода теперь находится под более высоким напряжением, чем катод (помните, что колпачок уже был заряжен до напряжения питания в начале) и смещен в прямом направлении.

Выходной конденсатор теперь заряжен до более высокого напряжения, чем раньше, что означает, что мы успешно повысили напряжение постоянного тока с низкого до более высокого!

Я рекомендую вам пройти через шаги еще раз очень медленно и понять их интуитивно.

Эти шаги выполняются много тысяч раз (в зависимости от частоты генератора) для поддержания выходного напряжения под нагрузкой.

Операция повышающего преобразователя — тонкости

К настоящему времени у многих из вас уже есть вопросы по поводу этого упрощенного объяснения. Было много чего упущено, но это стоило того, чтобы сделать работу повышающего преобразователя абсолютно понятной. Итак, теперь, когда у нас есть это понимание, мы можем перейти к более тонким деталям.

1. Осциллятор . Вы не можете постоянно держать выходной переключатель MOSFET включенным, нет идеальной катушки индуктивности — у них есть токи насыщения.Если мы оставим переключатель MOSFET включенным дольше нескольких сотен микросекунд, то произойдет короткое замыкание источника питания, сгорит изоляция индуктора, MOSFET выйдет из строя и произойдут другие неприятные вещи. Мы используем наши знания об индукторах для расчета времени, необходимого для достижения разумного тока (например, один ампер), а затем соответствующим образом настраиваем время включения генератора. Это приводит к тому, что форма волны тока катушки индуктивности выглядит как пила, отсюда и название «пилообразная».

2.Сам MOSFET. Если вы присмотритесь, на шаге 3 MOSFET увидит напряжение, которое представляет собой напряжение питания плюс напряжение индуктора, что означает, что MOSFET должен быть рассчитан на высокое напряжение, что опять же подразумевает довольно высокое сопротивление. Конструкция повышающего преобразователя — это всегда компромисс между напряжением пробоя MOSFET и сопротивлением. Переключающий полевой МОП-транзистор повышающего преобразователя всегда является слабым местом, как я убедился на холодном, тяжелом опыте. Максимальное выходное напряжение повышающего преобразователя ограничено не конструкцией, а напряжением пробоя полевого МОП-транзистора.

3. Индуктор. Очевидно, никакая старая катушка индуктивности не подойдет. Индукторы, используемые в повышающих преобразователях, должны выдерживать высокие токи и иметь высокопроницаемый сердечник, чтобы индуктивность для данного размера была высокой.

Работа повышающего преобразователя

Есть еще один способ думать о работе повышающего преобразователя.

Мы знаем, что энергия, запасенная в катушке индуктивности, определяется выражением:

½ x L x I ²

Где L — индуктивность катушки, а I — максимальный пиковый ток.

Таким образом, мы сохраняем некоторую энергию в катушке индуктивности от входа и передаем ту же энергию на выход, но при более высоком напряжении (очевидно, что мощность сохраняется). Это происходит много тысяч раз в секунду (в зависимости от частоты генератора), поэтому энергия складывается в каждом цикле, так что вы получаете хороший измеримый и полезный выход энергии, например, 10 Джоулей в секунду, то есть 10 Вт.

Как говорит нам уравнение, энергия, запасенная в катушке индуктивности, пропорциональна индуктивности, а также квадрату пикового тока.

Для увеличения выходной мощности нашей первой мыслью может быть увеличение размера индуктора. Конечно, это поможет, но не настолько, как мы думаем! Если мы увеличим индуктивность, максимальный пиковый ток, который может быть достигнут за заданное время, уменьшается или время, необходимое для достижения этого тока, увеличивается (помните основное уравнение V / L = dI / dt), поэтому общая выходная энергия не увеличивать на значительную сумму!

Однако, поскольку энергия пропорциональна квадрату максимального тока, увеличение тока приведет к большему увеличению выходной энергии!

Итак, мы понимаем, что , выбирая катушку индуктивности , представляет собой прекрасный баланс между индуктивностью и пиковым током.

Обладая этими знаниями, мы можем понять формальный метод проектирования повышающего преобразователя.

Конструкция повышающего преобразователя

ШАГ — 1

Для начала нам нужно досконально понять, что требуется для нашей нагрузки. Настоятельно рекомендуется (исходя из опыта), что если вы пытаетесь построить повышающий преобразователь вначале, очень важно знать выходное напряжение и ток независимо, произведение которых и есть наша выходная мощность.

ШАГ — 2

Как только у нас будет выходная мощность, мы можем разделить ее на входное напряжение (которое также должно быть определено), чтобы получить средний необходимый входной ток.

Мы увеличиваем входной ток на 40%, чтобы учесть пульсации. Это новое значение является пиковым входным током.

Также минимальный входной ток в 0,8 раза превышает средний входной ток, поэтому умножьте средний входной ток на 0,8.

Теперь, когда у нас есть пиковый и минимальный ток, мы можем рассчитать общее изменение тока, вычитая пиковый и минимальный ток.

ШАГ — 3

Теперь рассчитаем рабочий цикл преобразователя, то есть соотношение времени включения и выключения генератора.

Продолжительность включения определяется по формуле из этого учебника:

D.C. = (Vout — Vin) / (Vout)

Это должно дать нам разумное десятичное значение, больше 0, но меньше 0,999.

ШАГ — 4

Теперь пора определиться с частотой генератора. Это было включено как отдельный шаг, потому что источником сигнала может быть что угодно, от таймера 555 (где частота и рабочий цикл полностью находятся под вашим контролем) или контроллера ШИМ с фиксированной частотой.

Как только частота определена, мы можем узнать полный период времени, взяв обратное.

Теперь период времени умножается на значение рабочего цикла, чтобы получить время включения.

ШАГ — 5

Поскольку мы определили время включения, входное напряжение и изменение тока, мы можем подставить эти значения в формулу индуктора, которая была немного изменена:

L = (V * dt) / dI

Где V — входное напряжение, dt — время включения, а dI — изменение тока.

Не беспокойтесь, если значение индуктивности не является общедоступным, используйте ближайшее доступное стандартное значение. После небольшой настройки система должна работать нормально.

Выбор деталей

1. Коммутационный транзистор

Я не упоминал тип, поскольку он полностью основан на приложении. Конечно, в наши дни полевые МОП-транзисторы используются во всех приложениях, поскольку они очень эффективны, но могут быть ситуации, когда из-за простоты может быть достаточно обычного биполярного транзистора.

Я повторю то, что говорил ранее — выбирает транзистор с напряжением пробоя, превышающим максимальное выходное напряжение преобразователя .

Также может быть хорошим выбором взглянуть на таблицу MOSFET и определить входную емкость / емкость затвора. Чем ниже это значение, тем проще требования к вождению. Все, что ниже 3500 пФ, приемлемо и в меру легкое в управлении.

Лично я выбрал IRF3205 с включенным сопротивлением 8 миллиОм и напряжением пробоя 55 В, с управляемой входной емкостью 3247 пФ, помимо того, что он является легко доступной деталью.

Также в схеме не упоминается специальный драйвер затвора MOSFET. Опять же, я * очень * рекомендую его использовать. Это сэкономит вам много времени и потерь. Моя рекомендация — TC4427. Он имеет два драйвера в одном корпусе DIP8, которые можно легко подключить параллельно для увеличения тока привода.

2. Выходной диод

Хотя это может показаться тривиальным, при токах, с которыми мы имеем дело (или иногда напряжении), выбор диода играет большую роль в эффективности.

К сожалению, обычный 1N4007 не работает, так как он слишком медленный. Так же как и мощный 1N5408. Я пробовал оба в проектах, над которыми работал, оба работали ужасно, так как они были такими медленными. Не стоит даже пытаться.

Я использую UF4007 с тем же номинальным напряжением, что и 1N4007 (1000 В обратный).

Если вы собираете преобразователь низкого напряжения (скажем, с 3,3 В на 5 В), то предпочтительным диодом будет диод Шоттки, например 1N5822.

Заключение

Чтение этой статьи, как мне кажется, равносильно чтению лекции по системам электропитания, которая, надеюсь, сделает вас более осведомленными.Как всегда, лучший способ чему-то научиться — это действительно что-то построить. Теперь у вас есть знания, необходимые для создания и использования повышающего преобразователя!

Учебное пособие по понижающему преобразователю постоянного тока

Введение

Выключатель мощности был ключом к практичным переключателям регуляторов. До изобретения переключателя питания с вертикальным металлооксидным полупроводником (VMOS) переключение источников питания, как правило, было непрактичным.

Основная функция индуктора — ограничивать скорость нарастания тока с помощью переключателя питания.Это действие ограничивает пиковый ток, который в противном случае ограничивался бы только сопротивлением переключателя. Ключевым преимуществом использования индуктора в импульсных регуляторах является то, что он накапливает энергию. Эта энергия может быть выражена в Джоулях как функция тока следующим образом:

E = ½ × L × I²

Линейный регулятор использует резистивное падение напряжения для регулирования напряжения, теряя мощность (падение напряжения, умноженное на ток) в виде тепла. Катушка индуктивности импульсного регулятора имеет падение напряжения и соответствующий ток, но ток сдвинут по фазе на 90 градусов с напряжением.Благодаря этому энергия сохраняется и может быть восстановлена ​​в фазе разряда цикла переключения. Это приводит к гораздо более высокой эффективности и меньшему нагреву.

Что такое импульсный регулятор?

Импульсный стабилизатор — это схема, в которой для передачи энергии от входа к выходу используется переключатель мощности, индуктор и диод.

Основные компоненты схемы переключения могут быть преобразованы в понижающий (понижающий) преобразователь, повышающий (повышающий) преобразователь или инвертор (обратный ход).Эти конструкции показаны на рисунках 1 , 2 , 3 и 4 соответственно, где рисунки 3 и 4 одинаковы, за исключением полярности трансформатора и диода. Схемы обратной связи и управления могут быть аккуратно вложены в эти схемы, чтобы регулировать передачу энергии и поддерживать постоянный выходной сигнал в нормальных рабочих условиях.

Рис. 1. Топология понижающего преобразователя.	Рисунок 2.Простой повышающий преобразователь.
Рисунок 3. Инвертирующая топология.	Рис. 4. Топология обратного хода трансформатора.

Зачем нужен импульсный регулятор?

Импульсные регуляторы имеют три основных преимущества по сравнению с линейными регуляторами. Во-первых, эффективность переключения может быть намного лучше. Во-вторых, поскольку при передаче теряется меньше энергии, требуются компоненты меньшего размера и меньшее тепловое управление.В-третьих, энергия, запасенная катушкой индуктивности в импульсном регуляторе, может быть преобразована в выходное напряжение, которое может быть больше, чем входное (повышающее), отрицательное (инвертор), или даже может передаваться через трансформатор для обеспечения гальванической развязки по отношению к вход (рисунок 4).

Учитывая преимущества импульсных регуляторов, можно задаться вопросом, где можно использовать линейные регуляторы? Линейные регуляторы обеспечивают более низкий уровень шума и более широкую полосу пропускания; их простота иногда может предложить менее дорогое решение.

Правда, у импульсных регуляторов есть свои недостатки. Они могут быть шумными и требуют управления энергопотреблением в виде контура управления. К счастью, решение этих проблем управления интегрировано в современные микросхемы контроллера переключения режимов.

Регуляторы наддува

Фаза заряда

Базовая конфигурация наддува изображена на рис. 5 . Предполагая, что переключатель был разомкнут в течение длительного времени и что падение напряжения на диоде отрицательное, напряжение на конденсаторе равно входному напряжению.Когда переключатель замыкается, входное напряжение + V _IN подается на катушку индуктивности, а диод предотвращает разряд конденсатора + V _OUT на землю. Поскольку входное напряжение является постоянным, ток через катушку индуктивности линейно растет со временем со скоростью, пропорциональной входному напряжению, деленному на индуктивность.

Рис. 5. Фаза зарядки: когда переключатель замыкается, ток через индуктор нарастает.

Фаза разряда

На рисунке 6 показана фаза разряда.Когда переключатель снова размыкается, ток индуктора продолжает течь в выпрямительный диод для зарядки выхода. По мере увеличения выходного напряжения наклон тока, di / dt, хотя катушка индуктивности меняется на противоположную. Выходное напряжение повышается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие или:

V _L = L × di / dt

Другими словами, чем выше напряжение индуктора, тем быстрее падает ток индуктора.

Рисунок 6. Фаза разряда: при размыкании переключателя ток течет к нагрузке через выпрямительный диод.

В установившемся режиме работы среднее напряжение на катушке индуктивности за весь цикл переключения равно нулю. Это означает, что средний ток через катушку индуктивности также находится в установившемся состоянии. Это важное правило, регулирующее все топологии коммутации на основе катушек индуктивности. Сделав еще один шаг вперед, мы можем установить, что для заданного времени заряда t _ON , заданного входного напряжения и при условии, что схема находится в равновесии, существует определенное время разряда t _OFF для выходного напряжения.Поскольку среднее напряжение на катушке индуктивности в установившемся режиме должно быть равно нулю, мы можем рассчитать для схемы повышения напряжения:

V _IN × t _ON = t _OFF × V _L

И потому что:

V _ВЫХ = V _IN + V _L

Затем мы можем установить отношения:

V _OUT = V _IN × (1 + t _ON / t _OFF )

Используя соотношение для рабочего цикла (D):

t _ВКЛ / (t _ВКЛ + t _ВЫКЛ ) = D

Затем для схемы наддува:

V _ВЫХ = V _IN / (1-D)

Аналогичные выводы можно сделать для понижающей схемы:

V _ВЫХ = V _IN × D

А для схемы инвертора (обратноходовой):

V _ВЫХ = V _IN × D / (1-D)

Методы управления

Из результатов для повышения, понижения и инвертора (обратного хода) можно увидеть, что изменение рабочего цикла управляет установившимся выходом по отношению к входному напряжению.Это ключевая концепция, регулирующая все коммутационные цепи на основе индукторов.

ШИМ в режиме напряжения

Наиболее распространенный метод управления, показанный на рис. 7 , — это широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Этот метод берет образец выходного напряжения и вычитает его из опорного напряжения, чтобы установить небольшой сигнал ошибки (V _ERROR ). Этот сигнал ошибки сравнивается с сигналом линейного изменения генератора. Компаратор выдает цифровой выход (PWM), который управляет переключателем питания.Когда напряжение на выходе схемы изменяется, V _ERROR также изменяется и, таким образом, вызывает изменение порогового значения компаратора. Следовательно, ширина выходного импульса (PWM) также изменяется. Это изменение рабочего цикла затем перемещает выходное напряжение, чтобы уменьшить сигнал ошибки до нуля, тем самым завершая контур управления.

Рис. 7. Сигнал переменной ошибки генерирует сигнал переключения с широтно-импульсной модуляцией.

На рисунке 8 показана практическая схема, использующая повышающую топологию, сформированную с помощью MAX1932.Эта ИС представляет собой интегрированный контроллер со встроенным программируемым цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). ЦАП устанавливает выходное напряжение в цифровом виде через последовательный канал. R5 и R8 образуют делитель, измеряющий выходное напряжение. R6 фактически отключен от цепи, когда напряжение ЦАП совпадает с опорным напряжением (1,25 В). Это связано с тем, что на R6 имеется нулевое напряжение и нулевой ток. Когда выход ЦАП равен нулю (земля), R6 фактически параллелен R8. Эти два условия соответствуют минимальному и максимальному диапазону регулировки выхода 40 В и 90 В соответственно.

Рис. 8. MAX1932 представляет собой интегральную схему повышения напряжения с управлением в режиме напряжения.

Затем сигнал делителя вычитается из внутреннего опорного напряжения 1,25 В и затем усиливается. Этот сигнал ошибки затем выводится на вывод 8 в качестве источника тока. Это вместе с парой дифференциальных входов образует усилитель крутизны. Такое расположение используется потому, что выход усилителя ошибки имеет высокий импеданс (источник тока), что позволяет регулировать усиление схемы путем изменения R7 и C4.Эта компоновка также дает возможность обрезать усиление контура для получения приемлемого запаса устойчивости. Затем сигнал ошибки на контакте 8 направляется в компаратор и выводится для включения переключателя питания. R1 — это токоизмерительный резистор, который измеряет выходной ток. Когда ток недопустимо высок, схема ШИМ отключается, тем самым защищая схему.

Тип переключения (топология) на рисунках 7 и 8 классифицируется как контроллер режима напряжения (VMC), поскольку обратная связь регулирует выходное напряжение.Для анализа мы можем предположить, что если коэффициент усиления контура бесконечен, выходное сопротивление для идеального источника напряжения равно нулю.

ШИМ токового режима

Другой широко используемый тип управления — это управление в режиме тока (CMC). Этот метод регулирует выходной ток, и при бесконечном усилении контура выходной сигнал является источником с высоким импедансом. В CMC токовая петля вложена в более медленную петлю напряжения, как показано на Рис. 9 ; рампа создается крутизной тока катушки индуктивности и сравнивается с сигналом ошибки.Таким образом, когда выходное напряжение проседает, CMC подает больший ток на нагрузку. Преимущество CMC — способность управлять током катушки индуктивности. В VMC ток индуктора не измеряется. Это становится проблемой, потому что катушка индуктивности вместе с конденсатором выходного фильтра образует резонансный резервуар, который может звенеть и даже вызывать колебания. Управление текущим режимом определяет ток катушки индуктивности для исправления несоответствий. Хотя это и сложно осуществить, тщательно подобранные компоненты компенсации могут эффективно подавить этот резонанс в VCM.

Рисунок 9. Широтно-импульсная модуляция в токовом режиме.

Повышающие регуляторы точки нагрузки (POL)

Схема на рис. 10 использует CMC с контроллером MAX668. Эта схема повышения аналогична рисункам 7 и 8, за исключением того, что резистор R1 определяет ток катушки индуктивности для CMC. R1 и некоторые внутренние компараторы обеспечивают ограничение тока. R5 в сочетании с C9 фильтрует шум переключения на измерительном резисторе, чтобы предотвратить ложное срабатывание ограничения тока.Внутренний порог ограничения тока MAX668 является фиксированным; изменяя резистор R1, регулируется уставка ограничения тока. Резистор R2 устанавливает рабочую частоту. MAX668 — это универсальная интегральная схема, которая может обеспечивать широкий диапазон преобразований постоянного тока в постоянный.

Внешние компоненты MAX668 могут иметь высоковольтные характеристики, что обеспечивает большую гибкость для приложений с большой мощностью.

Рис. 10. MAX668 для схемы повышения с управлением по току.

Для портативных устройств с низким входным напряжением, требующих меньшей мощности, рекомендуются MAX1760 и MAX8627 (выходной ток 1A).Эти последние устройства используют внутренние полевые транзисторы и измеряют ток, используя сопротивление полевых транзисторов для измерения тока катушки индуктивности (чувствительный резистор не требуется).

Преобразователь nanoPower Boost

Повышающие преобразователи

широко используются в бытовой электронике для повышения и стабилизации проседания напряжения литий-ионных аккумуляторов под нагрузкой. Новым и растущим потребительским рынком является Интернет вещей (IoT), «облачная» сеть беспроводных взаимосвязанных устройств, которые часто включают аудио, видео, приложения для умного дома и носимые устройства.Тенденция IoT в сочетании с зеленой энергией (стремление к сокращению потерь энергии и переходу к возобновляемым формам производства энергии) требует, чтобы небольшие устройства работали автономно в течение длительных периодов времени при небольшом потреблении энергии. Синхронный повышающий преобразователь MAX17222 nanoPower отвечает всем требованиям. MAX17222 предлагает входной диапазон от 400 мВ до 5,5 В, ограничение пикового тока катушки индуктивности 0,5 А и выходное напряжение, которое выбирается с помощью одного стандартного резистора 1%. Новый режим True Shutdown ^™ обеспечивает токи утечки в диапазоне наноампер, что делает это устройство поистине наноэнергетическим!

На рисунке 11 показаны основные элементы MAX17222 в отношении токов отключения и покоя.

Рисунок 11. MAX17222 Токи отключения и покоя

Функция True Shutdown отключает выход от входа без прямого или обратного тока, что приводит к очень низкому току утечки. Входной ток покоя (I _QINT ) для MAX17222 составляет 0,5 нА (разрешить открытие после запуска), а выходной ток покоя (I _QOUT ) составляет 300 нА.

Понижающие регуляторы

На рис. 12 показана упрощенная версия архитектуры Maxim Quick-PWM ™.Чтобы проанализировать эту понижающую схему, мы начнем с сигнала обратной связи ниже регулирующего порога, определенного эталоном. Если ошибок прямого тока нет, то однократный таймер t _ON , который вычисляет время включения для DH, включается немедленно вместе с DH. Этот расчет t _ON основан на делении выходного напряжения на входное, что приблизительно соответствует времени включения, необходимому для поддержания фиксированной частоты переключения, определяемой константой K. Как только истечет время таймера однократного включения t _ON , DH выключен, а DL включен.Затем, если напряжение все еще ниже порога регулирования, DH немедленно включается. Это позволяет току индуктора быстро нарастать в соответствии с требованиями нагрузки. После достижения равновесия с нагрузкой среднее напряжение катушки индуктивности должно быть равно нулю. Поэтому мы рассчитываем:

Рис. 12. Упрощенная блок-схема управления Maxim Quick-PWM.

t _ВКЛ × (V _IN — V _OUT ) = t _ВЫКЛ × V _ВЫХ

Перестановка:

V _OUT / (V _IN — V _OUT ) = t _ON / t _OFF

Добавление 1 к обеим сторонам и сбор терминов:

V _OUT / V _IN = t _ON / (t _ON + t _OFF )

Поскольку коэффициент заполнения равен D:

t _ВКЛ / (t _ВКЛ + t _ВЫКЛ ) = D

Для понижающей схемы:

D = V _ВЫХ / V _IN

Запатентованный компанией Maxim метод управления Quick-PWM имеет некоторые преимущества перед PWM.Управление Quick-PWM генерирует новый цикл, когда выходное напряжение падает ниже порога регулирования. Следовательно, тяжелые переходные процессы вынуждают выходную мощность падать, немедленно запуская новый цикл. Это действие приводит к ответу на скачок нагрузки 100 нс. Также важно отметить, что в отличие от понижающей схемы на рисунке 1, на рисунке 12 для разрядного тракта вместо диода используется полевой МОП-транзистор (Q2). Такая конструкция снижает потери, связанные с падением напряжения на диоде; сопротивление в открытом состоянии канала MOSFET удваивается как измерение тока.Поскольку для стимулирования схемы к переключению требуются пульсации выходного напряжения, для поддержания стабильности требуется конденсатор выходного фильтра с некоторым ESR. Архитектура Quick-PWM также может быстро реагировать на изменения линейного входа, напрямую подавая сигнал входного напряжения на вычислитель времени включения. Другие методы должны ждать, пока выходное напряжение не упадет или не взлетит, прежде чем предпринимать какие-либо действия, а это часто бывает слишком поздно.

Контроллер понижающего блока питания памяти DDR

Практическое применение Quick-PWM можно найти в Рис. 13 .MAX8632 — это встроенный блок питания памяти DDR. Наряду с понижающей схемой Quick-PWM (VDDQ), MAX8632 объединяет высокоскоростной линейный стабилизатор (VTT) для управления переходными процессами шины, обнаруженными в системах памяти DDR. Линейный регулятор имеет определенные преимущества перед переключателями: линейные регуляторы не имеют индуктора для ограничения скорости нарастания тока, поэтому очень быстрая скорость нарастания тока может обслуживать переходные процессы нагрузки. Для более медленных схем потребуются конденсаторы большой емкости для обеспечения тока нагрузки до тех пор, пока источник питания не сможет нарастить ток для обслуживания нагрузки.

Более подробное изображение (PDF, 76kB)
Рис. 13. MAX8632 использует архитектуру Quick-PWM от Maxim и линейный регулятор для обеспечения полной системы питания DDR. Устройство может использоваться как основной графический процессор или как стандартный источник питания базовой логики.

КПД

Один из самых больших факторов потерь мощности для коммутаторов — это выпрямительный диод. Рассеиваемая мощность — это просто прямое падение напряжения, умноженное на ток, проходящий через него.Обратное восстановление кремниевых диодов также может привести к потерям. Эти потери мощности снижают общую эффективность и требуют управления температурой в виде радиатора или вентилятора.

Чтобы свести к минимуму эти потери, в импульсных регуляторах можно использовать диоды Шоттки, которые имеют относительно низкое прямое падение напряжения и хорошее обратное восстановление. Однако для максимальной эффективности вы можете использовать переключатель MOSFET вместо диода. Эта конструкция известна как «синхронный выпрямитель» (см. Фигуры , 12, 13 и 14, ).Выключатель синхронного выпрямителя разомкнут, когда главный выключатель замкнут, и то же самое верно и наоборот. Для предотвращения перекрестной проводимости (и верхний, и нижний переключатели включены одновременно) схема переключения должна быть прерывистой перед включением. По этой причине диод по-прежнему должен работать в течение интервала между размыканием главного переключателя и замыканием переключателя синхронного выпрямителя (мертвое время). Когда полевой МОП-транзистор используется в качестве синхронного переключателя, ток обычно течет в обратном направлении (исток — сток), и это позволяет встроенному корпусному диоду проводить ток в течение мертвого времени.Когда переключатель синхронного выпрямителя замыкается, ток течет через канал MOSFET. Из-за очень низкого сопротивления канала для силовых полевых МОП-транзисторов стандартное прямое падение выпрямительного диода может быть уменьшено до нескольких милливольт. Синхронное выпрямление может обеспечить КПД значительно выше 90%.

Рисунок 14. Синхронное выпрямление для понижающей цепи. Обратите внимание на встроенный диод в корпусе MOSFET.

Режим пропуска повышает эффективность легкой нагрузки

Функцией, предлагаемой во многих современных контроллерах переключения, является режим пропуска.Режим пропуска позволяет регулятору пропускать циклы, когда они не нужны, что значительно повышает эффективность при малых нагрузках. Для стандартной понижающей схемы (рис. 1) с выпрямительным диодом отказ от инициирования нового цикла просто позволяет току индуктора или энергии индуктора разрядиться до нуля. В этот момент диод блокирует любой обратный ток через индуктивность, и напряжение на катушке индуктивности падает до нуля. Это называется «прерывистый режим» и показан на Рис. 15 . В режиме пропуска новый цикл инициируется, когда выходное напряжение падает ниже порога регулирования.В режиме пропуска и прерывистой работе частота коммутации пропорциональна току нагрузки. С синхронным выпрямителем, к сожалению, несколько сложнее. Это связано с тем, что ток катушки индуктивности может измениться в переключателе MOSFET, если затвор остается включенным. MAX8632 включает в себя компаратор, который определяет, когда ток через катушку индуктивности меняет направление, и размыкает переключатель, позволяя внутреннему диоду полевого МОП-транзистора блокировать обратный ток.

Рисунок 15.В прерывистом режиме индуктор полностью разряжается, а затем напряжение на индукторе остается на нуле.

Рисунок 16 показывает, что режим пропуска обеспечивает повышенную эффективность при малой нагрузке, но за счет шума, поскольку частота переключения не фиксирована. Техника управления с принудительной ШИМ поддерживает постоянную частоту переключения и изменяет отношение цикла заряда к циклу разряда при изменении рабочих параметров. Поскольку частота переключения является фиксированной, спектр шума относительно узок, что позволяет использовать простые методы фильтрации нижних частот или режекторного фильтра для значительного снижения напряжения пульсаций от пика к пику.Поскольку шум может быть помещен в менее чувствительную полосу частот, ШИМ популярен в телекоммуникациях и других приложениях, где шумовые помехи являются проблемой.

Рисунок 16. Эффективность с режимом пропуска и без него.

Понижающий преобразователь точки нагрузки высокой мощности

Переключатели питания MOSFET теперь интегрированы с контроллерами, образуя однокристальные решения, такие как схема MAX1945, показанная на , рис. 17, . У этого чипа есть металлическая заглушка на нижней стороне, которая отводит тепло от кристалла, поэтому 28-контактный корпус TSSOP может рассеивать более 1 Вт, позволяя схеме подавать более 10 Вт на свою нагрузку.При частоте коммутации 1 МГц размер выходной катушки индуктивности и конденсаторов фильтра можно уменьшить, что дополнительно сэкономит ценное пространство и количество компонентов. По мере того, как технологии переключения мощности MOSFET продолжают совершенствоваться, производительность в режиме переключения будет расти, что еще больше снизит стоимость, размер и проблемы управления температурным режимом.

Рис. 17. MAX1945 — это внутреннее коммутирующее устройство на 6 А с уменьшенным количеством деталей и небольшой занимаемой площадью для экономии места на плате.

Понижающий преобразователь POL с низким энергопотреблением

Высокоэффективные понижающие (понижающие) преобразователи MAX1836 / MAX1837 имеют предустановку 3.Выходное напряжение 3 В или 5 В при напряжении питания до 24 В. Используя внешние резисторы обратной связи, выходное напряжение можно регулировать от 1,25 В до VIN. Внутренний переключающийся полевой МОП-транзистор с ограничением тока обеспечивает ток нагрузки до 125 мА (MAX1836) или 250 мА (MAX1837). Уникальная схема управления с ограничением тока, работающая с рабочими циклами до 100%, сводит к минимуму падение напряжения (120 мВ при 100 мА). Кроме того, эта схема управления снижает ток питания при легких нагрузках до 12 мкА. Высокие частоты переключения позволяют использовать крошечные катушки индуктивности и выходные конденсаторы для поверхностного монтажа.Понижающие преобразователи MAX1836 / MAX1837 с внутренними переключаемыми полевыми МОП-транзисторами доступны в 6-контактных корпусах SOT23 и 3 мм x 3 мм TDFN, что делает их идеальными для недорогих, маломощных и компактных приложений.

Понижающий преобразователь nanoPower

MAX3864xA / B — это семейство nanoPower сверхмалых понижающих (понижающих) DC-DC преобразователей тока 330 нА, работающих от 1,8 В до 5,5 В на входе и поддерживающих токи нагрузки до 175 мА, 350 мА, 700 мА с повышенным пиковым КПД. до 96%. В выключенном состоянии ток выключения составляет всего 5 нА.Устройства обеспечивают сверхнизкий ток покоя, малый общий размер решения и высокую эффективность во всем диапазоне нагрузок. MAX3864xA / B идеально подходят для аккумуляторных приложений, где длительное время автономной работы является обязательным. Семейство MAX3864xA / B использует уникальную схему управления, которая обеспечивает сверхнизкий ток покоя и высокую эффективность в широком диапазоне выходного тока. Устройства MAX3864xA / B предлагаются в компактном 6-контактном корпусе на уровне пластины (WLP) размером 1,42 x 0,89 мм (2 x 3 выступа, шаг 0,4 мм), а также в 6-выводном корпусе μDFN 2 x 2 мм. .

Сводка

Хотя методы переключения сложнее реализовать, коммутационные схемы почти полностью заменили линейные источники питания в широком диапазоне портативных и стационарных конструкций. Это связано с тем, что схемы переключения обеспечивают более высокую эффективность, меньшие размеры компонентов и меньше проблем с терморегулированием.

Высоковольтные повышающие и инвертирующие преобразователи для связи

Сфера электронных коммуникаций быстро расширяется во все аспекты повседневной жизни.Для обнаружения, передачи и приема данных требуется широкий спектр устройств, таких как оптические датчики, RF MEMS, PIN-диоды, APD, лазерные диоды и ЦАП высокого напряжения, и это лишь некоторые из них. Во многих случаях для работы этих устройств требуется несколько сотен вольт, что требует применения преобразователей постоянного тока в постоянный, отвечающих строгим требованиям к эффективности, занимаемому пространству и стоимости.

LT8365 компании

Analog Devices — это универсальный монолитный повышающий преобразователь, который объединяет переключатель 150 В, 1,5 А, что делает его идеальным для высоковольтных приложений в области связи, включая портативные устройства.Высоковольтные выходы легко получить из входов от 2,8 В до 60 В. Он имеет дополнительную частотную модуляцию с расширенным спектром, которая может помочь уменьшить EMI, а также многие другие популярные функции, подробно описанные в технических характеристиках.

Преобразователи, показанные на рисунках 1 и 2, использовались для обеспечения шин положительного и отрицательного напряжения для высоковольтных ЦАП, MEMS, ВЧ-переключателей и операционных усилителей высокого напряжения от источника входного напряжения 12 В. Эти преобразователи работают в режиме прерывистой проводимости (DCM) и выдают до 10 мА с выходными напряжениями +250 В и –250 В с эффективностью преобразования около 80%.

Рис. 1. 2-ступенчатый повышающий преобразователь с входа 12 В на выход 250 В.

Рисунок 2. Вход 12 В на выход –250 В 2-ступенчатый инвертирующий преобразователь.

Передаточное число> 1:40

Одним из преимуществ работы DCM в повышающем преобразователе является возможность достижения высокого коэффициента повышения независимо от рабочего цикла. Кроме того, можно уменьшить значения и физические размеры катушки индуктивности и выходного конденсатора, что приведет к уменьшению общей занимаемой площади на печатной плате.Схема на Рисунке 3 легко помещается на площади менее 1 см ² .

Бывают ситуации, когда доступен только очень низкий входной источник и требуется высокое выходное напряжение. Преобразователь, показанный на рисунке 3, можно использовать для управления различными лавинными фотодиодами, PIN-диодами и другими устройствами, требующими высоких напряжений смещения. Этот повышающий преобразователь вырабатывает 125 В от входного источника 3 В при токе нагрузки до 3 мА.

Рис. 3. Повышающий преобразователь от входа 3 В до выхода 125 В.

Преобразователь, показанный на Рисунке 4, расширяет выход 125 В до 250 В от источника входного сигнала 3 В и поддерживает около 1,5 мА. В области связи существует множество устройств, требующих таких высоких напряжений смещения от источников с низким входным напряжением.

Рис. 4. 2-ступенчатый повышающий преобразователь с входа 3 В на выход 250 В.

Как высоко или низко вы можете подняться?

В ситуациях, когда требуется очень высокое напряжение, положительное или отрицательное, повышающий преобразователь может использовать каскады умножения для увеличения выходного сигнала в 2, 3 или более раз.Преобразователи на рисунках 1 и 2 показывают, как удвоить напряжение переключения в обоих направлениях, положительном и отрицательном. Трехступенчатый повышающий преобразователь, показанный на Рисунке 5, выдает 375 В при 8 мА от входного источника 12 В.

Обратите внимание, что доступный выходной ток должен уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения, поскольку коммутационная способность не изменяется. Например, одноступенчатый преобразователь, рассчитанный на передачу 20 мА, будет выдавать около 10 мА при добавлении второй ступени. По мере добавления дополнительных ступеней всегда проверяйте, чтобы пиковый ток переключения оставался в пределах гарантированного предела тока переключения.

Рис. 5. Трехступенчатый повышающий преобразователь от входа 12 В до выхода 375 В.

Упрощенное определение выходного напряжения

LT8365 предлагает один вывод FBX для измерения выходного напряжения. Простой резисторный делитель, подключенный к выводу FBX, измеряет выходное напряжение независимо от выходной полярности, как показано на всех схемах, представленных в этой статье.

Заключение

LT8365 подходит для приложений, требующих компактного, эффективного, повышающего преобразования с высоким выходным напряжением из входных напряжений всего 2.8 В, что является обычным явлением в области связи. Его также можно использовать в качестве инвертирующего преобразователя и в популярных топологиях, таких как преобразователи CUK и SEPIC. LT8365 выпускается в небольшом 16-выводном корпусе MSOP с термическим усилением.

Как успешно применять повышающие (повышающие) регуляторы постоянного тока

Питание портативных электронных устройств, таких как смартфоны, системы GPS-навигации и планшеты, может поступать от низковольтных солнечных панелей, батарей или переменного тока. источники питания постоянного тока.Системы с батарейным питанием часто устанавливают ячейки последовательно для достижения более высоких напряжений, но это не всегда возможно из-за нехватки места. Импульсные преобразователи используют магнитное поле катушки индуктивности для попеременного накопления энергии и передачи ее нагрузке с другим напряжением. С низкими потерями они являются хорошим выбором для высокой эффективности. Конденсаторы, подключенные к выходу преобразователя, уменьшают пульсации выходного напряжения. Преобразователи Boost или повышающие — рассмотренные здесь — обеспечивают более высокое напряжение; Преобразователи buck или понижающие преобразователи , описанные в предыдущей статье ¹ , обеспечивают более низкое выходное напряжение.Переключающие преобразователи, которые включают в себя внутренние полевые транзисторы в качестве переключателей, называются переключающими регуляторами, ² , в то время как устройства, требующие внешних полевых транзисторов, называются переключающими контроллерами. ³

На рисунке 1 показана типичная маломощная система, питающаяся от двух последовательно соединенных батареек AA. Полезный выход батареи варьируется от 1,8 В до 3,4 В, тогда как для работы ИС требуется 1,8 В и 5,0 В. Повышающие преобразователи, которые могут повышать напряжение без увеличения количества ячеек, питают WLED-подсветку, микро-жесткие диски, аудио и периферийные устройства USB, а понижающий преобразователь питает микропроцессор, память и дисплей.

Рисунок 1. Типичная портативная система малой мощности.

Способность катушки индуктивности сопротивляться изменениям тока позволяет использовать функцию усиления. При зарядке индуктор действует как нагрузка и накапливает энергию; при разряде действует как источник энергии. Напряжение, возникающее во время фазы разряда, связано со скоростью изменения тока, а не с исходным зарядным напряжением, что позволяет использовать разные уровни входного и выходного напряжения.

Регуляторы

Boost состоят из двух переключателей, двух конденсаторов и катушки индуктивности, как показано на рисунке 2.Неперекрывающиеся приводы переключателей обеспечивают одновременное включение только одного переключателя, чтобы избежать нежелательного сквозного тока. На этапе 1 ( t _ON ) переключатель B разомкнут, а переключатель A замкнут. Индуктор подключен к земле, поэтому ток течет от V _IN к земле. Ток увеличивается из-за положительного напряжения на катушке индуктивности, а энергия накапливается в катушке индуктивности. На этапе 2 ( t _OFF ) переключатель A разомкнут, а переключатель B замкнут. Индуктор подключен к нагрузке, поэтому ток течет от В, , _IN, , к нагрузке.Ток уменьшается из-за отрицательного напряжения на катушке индуктивности, и энергия, запасенная в катушке индуктивности, разряжается в нагрузку.

Рис. 2. Топология понижающего преобразователя и рабочие формы сигналов.

Обратите внимание, что работа импульсного регулятора может быть непрерывной или прерывистой. При работе в режиме непрерывной проводимости (CCM) ток индуктора никогда не падает до нуля; при работе в режиме прерывистой проводимости (DCM) ток индуктора может упасть до нуля.Пульсации тока , показанные как Δ I _L на рисунке 2, рассчитываются с использованием Δ I _L = ( V _IN × t _ON ) / L . Средний ток катушки индуктивности течет в нагрузку, а ток пульсации течет в выходной конденсатор.

Рис. 3. Повышающий регулятор объединяет в себе генератор, контур управления ШИМ и переключающие полевые транзисторы. Регуляторы

, которые используют диод Шоттки вместо переключателя B, определены как асинхронный (или несинхронный), в то время как регуляторы, которые используют полевой транзистор в качестве переключателя B, определены как синхронный .На рисунке 3 переключатели A и B были реализованы с внутренним полевым транзистором и внешним диодом Шоттки, соответственно, для создания асинхронного повышающего регулятора. Для маломощных приложений, требующих изоляции нагрузки и низкого тока отключения, можно добавить внешние полевые транзисторы, как показано на рисунке 4. Если на контакте EN устройства ниже 0,3 В, регулятор отключается и полностью отключается вход от выхода.

Рисунок 4. Типовая схема приложений ADP1612 / ADP1613.

Современные маломощные синхронные понижающие стабилизаторы используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) в качестве основного режима работы.ШИМ поддерживает постоянную частоту и изменяет ширину импульса ( t _ON ) для регулировки выходного напряжения. Средняя передаваемая мощность пропорциональна рабочему циклу D, что делает это эффективным способом подачи питания на нагрузку.

В качестве примера для желаемого выходного напряжения 15 В и доступного входного напряжения 5 В

D = (15-5) / 15 = 0,67 или 67%.

Энергия сохраняется, поэтому входная мощность должна равняться мощности, подаваемой на нагрузку, за вычетом любых потерь.Предполагая очень эффективное преобразование, небольшую потерю мощности можно не учитывать при основных расчетах мощности. Таким образом, входной ток может быть приблизительно равен

.

Например, если ток нагрузки составляет 300 мА при 15 В, I _IN = 900 мА при 5 В — в три раза больше выходного тока. Следовательно, доступный ток нагрузки уменьшается по мере увеличения напряжения наддува.

В повышающих преобразователях

для регулирования выбранного выходного напряжения используется обратная связь по напряжению или по току; контур управления позволяет выходу поддерживать регулирование в ответ на изменения нагрузки.Повышающие регуляторы малой мощности обычно работают в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать катушки индуктивности меньшего размера, но эффективность падает примерно на 2% с каждым удвоением частоты переключения. В повышающих преобразователях ADP1612 и ADP1613 (см. Приложение) частота переключения выбирается по выводам: 650 кГц для максимальной эффективности или 1,3 МГц для самых маленьких внешних компонентов. Подключите FREQ к GND для работы на 650 кГц или к VIN для работы на 1,3 МГц.

Катушка индуктивности, ключевой компонент повышающего регулятора, накапливает энергию в течение времени на выключателя питания и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в течение времени выключено .Чтобы сбалансировать компромисс между низкой пульсацией тока катушки индуктивности и высокой эффективностью, в спецификации ADP1612 / ADP1613 рекомендуются значения индуктивности в диапазоне от 4,7 мкГн до 22 мкГн. Как правило, индуктор с более низким значением имеет более высокий ток насыщения и более низкое последовательное сопротивление для данного физического размера, но более низкая индуктивность приводит к более высоким пиковым токам, что может привести к снижению эффективности, более высокой пульсации и увеличению шума. Часто лучше запускать наддув в режиме прерывистой проводимости, чтобы уменьшить размер индуктора и улучшить стабильность.Пиковый ток индуктора (максимальный входной ток плюс половина тока пульсаций индуктора) должен быть ниже номинального тока насыщения индуктора; а максимальный входной постоянный ток регулятора должен быть меньше действующего значения номинального тока катушки индуктивности.

Key Boost Regulator Технические характеристики и определения

Диапазон входного напряжения : диапазон входного напряжения повышающего преобразователя определяет минимальное используемое входное напряжение питания. В технических характеристиках может быть указан широкий диапазон входного напряжения, но входное напряжение должно быть ниже, чем V _OUT для эффективной работы.

Ток заземления или покоя : Постоянный ток смещения не подается на нагрузку ( I _q ). Чем ниже I _q , тем выше эффективность, но I _q можно указать при многих условиях, включая выключение, нулевую нагрузку, работу PFM или работу PWM, поэтому лучше смотреть на работу КПД при определенных рабочих напряжениях и токах нагрузки, чтобы определить лучший регулятор наддува для применения.

Ток отключения : Входной ток, потребляемый, когда разрешающий контакт установлен в положение ВЫКЛ. Низкий I _q важен для длительного времени ожидания, когда устройство с батарейным питанием находится в спящем режиме.

Switch Duty Cycle : Рабочий цикл должен быть ниже максимального рабочего цикла, иначе выходное напряжение не будет регулироваться. Например, D = ( V _OUT — V _IN ) / V _OUT .С В _IN = 5 В и V _OUT = 15 В, D = 67%. ADP1612 и ADP1613 имеют максимальный рабочий цикл 90%.

Диапазон выходного напряжения : Диапазон выходных напряжений, поддерживаемых устройством. Выходное напряжение повышающего преобразователя может быть фиксированным или регулируемым с использованием резисторов для установки желаемого выходного напряжения.

Current Limit : В повышающих преобразователях обычно указывается предел пикового тока, а не ток нагрузки.Обратите внимание, что чем больше разница между V _IN и V _OUT , тем ниже доступный ток нагрузки. Предел пикового тока, входное напряжение, выходное напряжение, частота переключения и значение индуктивности — все это устанавливает максимальный доступный выходной ток.

Регулировка линии : Регулировка линии — это изменение выходного напряжения, вызванное изменением входного напряжения.

Регулировка нагрузки : Регулировка нагрузки — это изменение выходного напряжения для изменения выходного тока.

Плавный пуск : Для регуляторов повышения важно иметь функцию плавного пуска , которая регулирует выходное напряжение при запуске, чтобы предотвратить чрезмерные выбросы выходного напряжения при запуске. Плавный запуск некоторых повышающих преобразователей можно регулировать с помощью внешнего конденсатора. Когда конденсатор плавного пуска заряжается, он ограничивает допустимый пиковый ток. Благодаря регулируемому плавному запуску время запуска может быть изменено в соответствии с требованиями системы.

Тепловое отключение ( TSD ): если температура перехода поднимается выше указанного предела, цепь теплового отключения отключает регулятор. Постоянно высокие температуры перехода могут быть результатом сильноточной работы, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Схема защиты включает гистерезис, поэтому устройство не вернется к нормальной работе до тех пор, пока температура на кристалле не упадет ниже заданного предела после теплового отключения.

Блокировка пониженного напряжения ( UVLO ): Если входное напряжение ниже порога UVLO, ИС автоматически отключает выключатель питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает потенциально неустойчивую работу при низких входных напряжениях и предотвращает включение силового устройства, когда схема не может им управлять.

Заключение

Повышающие стабилизаторы

избавляют от необходимости беспокоиться о переходном преобразователе постоянного тока в постоянный за счет проверенной конструкции.Расчетные расчеты доступны в разделе приложений спецификации, а инструмент проектирования ADIsimPower ⁴ упрощает задачу для конечного пользователя. За дополнительной информацией обращайтесь к разработчикам приложений Analog Devices или посетите EngineerZone на ez.analog.com за помощью. Руководства по выбору буст-регуляторов, спецификации и примечания по применению от Analog Devices можно найти на сайте www.analog.com/power.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Повышающие импульсные преобразователи постоянного тока

работают на частотах 650/1300 кГц

Повышающие преобразователи ADP1612 и ADP1613 способны подавать более 150 мА при напряжении до 20 В при работе, соответственно, от одной единицы.Питание от 8 до 5,5 В и от 2,5 до 5,5 В. При интеграции силового переключателя 1,4-A / 2,0-A, 0,13 Ом с токовым режимом с широтно-импульсной модуляцией их выход изменяется менее чем на 1% при изменении входного напряжения, тока нагрузки и температуры. Рабочая частота выбирается выводом и может быть оптимизирована для достижения высокого КПД или минимального размера внешних компонентов: при 650 кГц они обеспечивают КПД 90%; на частоте 1,3 МГц их схемная реализация занимает наименьшее пространство, что делает их идеальными для использования в условиях ограниченного пространства в портативных устройствах и жидкокристаллических дисплеях.Регулируемая схема плавного пуска предотвращает пусковые токи, обеспечивая безопасные и предсказуемые условия пуска. ADP1612 и ADP1613 потребляют 2,2 мА в состоянии переключения, 700 мкА в состоянии без переключения и 10 нА в режиме отключения , . Доступные в 8-выводных корпусах MSOP, они рассчитаны на температуру от –40 ° C до + 85 ° C и стоят 1,50 долл. США / 1,20 долл. США за 1000 шт.

Рисунок A. Функциональная блок-схема ADP1612 / ADP1613.

Рекомендации

() Информацию обо всех компонентах ADI можно найти на сайте www.analog.com. )

¹ http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/applying-dc-to-dc-step-down-buck-regulators.html.

² www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html.

³ www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index.html.

⁴ www.analog.com/en/design-center/interactive-design-tools/adisimpower.html

Ленк, Джон Д. Упрощенная конструкция импульсных источников питания . Elsevier / Newnes. 1996.

Мараско, К. «Как успешно применять понижающие (понижающие) регуляторы постоянного тока». Аналоговый диалог . Том 45. Июнь 2011.

.

Мараско, К. «Как успешно применять регуляторы с малым отсевом». Аналоговый диалог . Том 43, номер 3. 2009 г.

Как работают повышающие преобразователи | Проекты самодельных схем

Повышающий преобразователь (также называемый повышающим преобразователем) представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный, которая предназначена для преобразования входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение с уровнем, который может быть намного выше, чем уровень входного напряжения.

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

Как работает повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь — это разновидность импульсного источника питания или импульсного источника питания, который в основном работает с двумя активными полупроводниками (транзистором и диодом) и с минимум одним пассивным компонентом в виде конденсатора или индуктор или оба для большей эффективности.

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

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

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

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

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

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

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

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

Конфигурация повышающего преобразователя

Обращаясь к следующему рисунку, мы можем видеть стандартную конфигурацию повышающего преобразователя, рабочий образец можно понять, как указано ниже:

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

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

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

Катушка индуктивности выполняет это, разрушая магнитное поле, которое было создано в ней ранее, когда транзистор находился во включенном состоянии.

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

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

Повышающий преобразователь может работать в основном в двух режимах: непрерывном режиме и прерывистом режиме.

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

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

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

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

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

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

Расчет, индуктивность, ток, напряжение и рабочий цикл в повышающем преобразователе

Здесь мы обсудим только непрерывный режим, который является предпочтительным способом работы повышающего преобразователя, давайте оценим вычисления, связанные с повышающим преобразователем в непрерывном режиме. режим:

Пока транзистор находится во включенной фазе, входное напряжение источника (

) прикладывается к катушке индуктивности, вызывая нарастание тока () через катушку индуктивности в течение периода времени, обозначенного (t).Это может быть выражено следующей формулой:

ΔIL / Δt = Vt / L

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

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

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

L обозначает значение индуктивности катушки индуктивности в Генри.

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

) можно вывести с помощью следующего выражения

Vi — Vo = LdI / dt

Кроме того, изменения тока (

), которые могут происходить на катушке индуктивности во время ее разряда (состояние транзистора), могут быть представлены как :

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

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

E = ½ L x 2IL

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

ΔIL (вкл) + ΔIL (выкл.) = 0

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

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

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

или

Vo = Vi / (1 — D)

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

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

D = 1 — Vo / Vi

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

Расчет ступени мощности повышающего преобразователя

Для расчета ступени мощности повышающего преобразователя необходимы следующие 4 правила:

1. Диапазон входного напряжения: Vin (мин.) И Vin (макс.)

2.Минимальное выходное напряжение: Vout

3. Максимальный выходной ток: Iout (макс.)

4. Схема IC, используемая для создания повышающего преобразователя.
Это часто является обязательным, просто потому, что для расчетов должны быть сделаны определенные схемы, которые не могут быть упомянуты в паспорте данных.

Если эти ограничения известны, обычно имеет место приближение силового каскада
.

Оценка максимального тока переключения

Первичным шагом для определения тока переключения будет определение рабочего цикла D для минимального входного напряжения.Используется минимальное входное напряжение, главным образом потому, что это приводит к максимальному току переключения.

D = 1 — {Vin (min) xn} / Vout ———- (1)

Vin (min) = минимальное входное напряжение

Vout = требуемое выходное напряжение

n = КПД преобразователя, например ожидаемое значение может составлять 80%.

Эффективность включается в расчет рабочего цикла просто потому, что преобразователь должен также отображать рассеиваемую мощность. Эта оценка предлагает более разумный рабочий цикл по сравнению с формулой без коэффициента эффективности.

Нам необходимо, возможно, допустить предполагаемый допуск 80% (что может быть непрактичным для наихудшего случая КПД повышающего преобразователя
), следует рассмотреть или, возможно, обратиться к разделу «Обычные характеристики» в техническом паспорте выбранного преобразователя.

Расчет Ток пульсации

Последующее действие для вычисления максимального тока переключения будет заключаться в вычислении тока пульсаций индуктора.

В техническом описании преобразователя обычно упоминается конкретная катушка индуктивности или множество катушек индуктивности, которые работают с ИС.Следовательно, мы должны либо использовать предложенное значение индуктивности для расчета тока пульсаций, если ничего не представлено в таблице данных, либо рассчитанное в списке индукторов.

S выбор данной инструкции по применению для расчета ступени мощности повышающего преобразователя.

Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ———- (2)

Vin (min) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, измеренный в уравнении 1

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

L = предпочтительное значение индуктивности

Затем необходимо определить, сможет ли предпочтительная ИС обеспечить оптимальный выход
Текущий.

Iout (макс.) = [I lim (min) — Delta I (l) / 2] x (1 — D) ———- (3)

I lim ( min) = минимальное значение ограничения тока
задействованного переключателя (выделено в таблице данных
)

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора, измеренный в предыдущем уравнении

D = рабочий цикл, рассчитанный в первом уравнении

In В случае, если расчетное значение оптимального выходного тока выбранной IC, Iout (max), ниже ожидаемого максимального выходного тока системы, действительно необходимо использовать альтернативную IC с немного более высоким управлением током переключения.

При условии, что измеренное значение Iout (max), вероятно, на оттенок меньше ожидаемого, вы, возможно, можете применить набранную ИС с индуктором с большей индуктивностью, когда он все еще находится в предписанной серии. Большая индуктивность уменьшает ток пульсаций, следовательно, увеличивает максимальный выходной ток с конкретной ИС.

Если установленное значение выше наилучшего выходного тока программы, вычисляется наибольший ток переключения в оборудовании:

Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / ( 1 — D) ——— (4)

Delta I (L) = ток пульсации индуктора, измеренный во втором уравнении

Iout (max), = оптимальный выходной ток, необходимый для электросети

D = рабочий цикл, измеренный ранее.

Фактически, это оптимальный ток, которому необходимо противостоять катушке индуктивности, включенному (-ым) переключателю (-ам) в дополнение к внешнему диоду.

Выбор индуктора

Иногда в технических паспортах приводятся многочисленные рекомендуемые значения индуктивности. В такой ситуации вам следует предпочесть катушку индуктивности с этим диапазоном. Чем больше значение индуктивности, тем выше максимальный выходной ток, в основном из-за уменьшения тока пульсаций.

Уменьшенное значение индуктивности, уменьшенное — размер решения. Имейте в виду, что катушка индуктивности действительно должна всегда иметь лучший номинальный ток, чем максимальный ток, указанный в уравнении 4, из-за того, что ток увеличивается с уменьшением индуктивности.

Для элементов, в которых не указан диапазон индуктивности l, на следующем рисунке показан надежный расчет подходящего индуктора;

L = Vin x (Vout — Vin) / Delta I (L) xf (s) x Vout ——— (5)

Vin = стандартное входное напряжение

Vout = предпочтительный выход напряжение

f (s) = минимальная частота переключения преобразователя

Delta I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора, обратите внимание ниже:

Ток пульсаций индуктора просто невозможно измерить с помощью первого уравнения, только потому, что индуктор ls не опознано.Звуковое приближение для тока пульсаций индуктора составляет от 20% до 40% выходного тока.

Дельта I (L) = (от 0,2 до 0,4) x Iout (макс.) X Vout / Vin ———- (6)

Дельта I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора

Iout (макс.) = Оптимальный выходной ток
ток, необходимый для приложения

Определение выпрямительного диода

Чтобы снизить потери, диоды Шоттки действительно должны считаться хорошим выбором.
Расчетный прямой ток, который считается необходимым, соответствует максимальному выходному току:

I (f) = Iout (max) ———- (7)

I (f) = типичный
прямой ток выпрямительного диода

Iout (max) = оптимальный выходной ток, важный в программе

Диоды Шоттки

имеют значительно больший пиковый ток по сравнению с нормальным номиналом.Поэтому повышенный пиковый ток в программе не вызывает большого беспокойства.

Второй параметр, который необходимо контролировать, — это рассеиваемая мощность диода. Он состоит из:

P (d) = I (f) x V (f) ———- (8)

I (f) = средний прямой ток выпрямителя диод

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Настройка выходного напряжения

Большинство преобразователей распределяют выходное напряжение с помощью резистивного делителя напряжения (который может быть встроен в
, если они являются стационарными преобразователями выходного напряжения) .

При назначенном напряжении обратной связи V (fb) и токе смещения обратной связи I (fb) делитель напряжения имеет тенденцию к вычислению
.

Ток с помощью резистивного делителя может быть примерно в сто раз больше, чем ток смещения обратной связи:

I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) —— —- (9)

I (r1 / 2) = ток в цепи резистивного делителя на GND

I (fb) = ток смещения обратной связи из техпаспорта

Это увеличивает погрешность менее 1% для оценка напряжения.Кроме того, сила тока значительно больше.

Основная проблема с резисторами меньшего номинала — это повышенные потери мощности в резистивном делителе, за исключением того, что актуальность может быть несколько повышена.

С учетом вышеизложенного, резисторы разработаны, как указано ниже:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ———- (10)

R1 = R2 x [Vout / V (fb) — 1] ———- (11)

R1, R2 = резистивный делитель.

В (fb) = напряжение обратной связи, указанное в паспорте

I (r1 / 2) = ток через резистивный делитель на землю, установленный в уравнении 9

Vout = планируемое выходное напряжение

Выбор входного конденсатора

Наименьшее значение для входного конденсатора обычно указывается в техническом паспорте.Это наименьшее значение имеет жизненно важное значение для стабильного входного напряжения в результате наличия пикового тока, необходимого для импульсного источника питания.

Наиболее подходящим методом является использование керамических конденсаторов с пониженным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Диэлектрический элемент должен быть X5R или выше. В противном случае конденсатор может потерять большую часть своей емкости из-за смещения постоянного тока или температуры (см. Ссылки 7 и 8).

Фактически значение может быть увеличено, если входное напряжение слишком шумное.

Выбор выходного конденсатора

Лучший способ — найти конденсаторы с малым ESR, чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения. Керамические конденсаторы являются правильными типами, когда диэлектрический элемент относится к типу X5R или более эффективному.

В случае, если преобразователь имеет внешнюю компенсацию, можно использовать конденсатор любого типа с номиналом выше минимально рекомендованного в техническом описании, но каким-то образом компенсация должна быть можно изменить для выбранной выходной емкости.

Для преобразователей с внутренней компенсацией, рекомендуемые значения индуктивности и конденсатора должны быть адаптированы, или информация в техническом описании для адаптации выходных конденсаторов может быть принята с соотношением L x C.

При вторичной компенсации следующие уравнения могут помочь в регулировании значений выходных конденсаторов для запланированных пульсаций выходного напряжения:

Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout — ——— (12)

Cout (min) = наименьшая выходная емкость

Iout (max) = оптимальный выходной ток для использования

D = рабочий цикл, рассчитанный по уравнению 1

f ( s) = наименьшая частота коммутации преобразователя

Delta Vout = идеальная пульсация выходного напряжения

ESR выходного конденсатора увеличивает пульсацию, предварительно заданную уравнением:

Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (макс.) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ———- (13)

Delta Vout (ESR) = пульсации альтернативного выходного напряжения, возникающие из-за конденсаторов ESR

ESR = эквивалентное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (max) = максимальный выходной ток использования

D = рабочий цикл, вычисленный в первом уравнении

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора из уравнения 2 или 6

Уравнения для оценки ступени мощности повышающего преобразователя

Максимальный рабочий цикл: D = 1 — Vin (мин) xn / Vout ———- (14)

Vin (мин) = наименьшее входное напряжение

Vout = ожидаемое выходное напряжение

n = КПД преобразователя, например.грамм. расчетное значение 85%

Ток пульсации индуктора:

Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ———- (15)

Vin (min ) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, установленный в уравнении 14

f (s) = номинальная частота переключения преобразователя

L = указанное значение индуктивности

Максимальный выходной ток номинального IC:

Iout ( max) = [Ilim (min) — Delta I (l)] x (1 — D) ———- (16)

Ilim (min) = наименьшее значение текущего ограничения интеграла ведьма (предлагается в техническом паспорте)

Delta I (l) = ток пульсации индуктора, установленный в уравнении 15

D = рабочий цикл, оцененный в уравнении 14

Максимальный ток переключения для конкретного приложения:

Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 — D) ———- (17)

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора, оцененный по уравнению 15

Iout (max ), = максимально возможный выходной ток требуется в энергосистеме

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

Приближение индуктора: L = Vin x (Vout — Vin) / Delta I (l) xf (s) x Vout —- —— (18)

Vin = общее входное напряжение

Vout = планируемое выходное напряжение

f (s) = наименьшая частота коммутации преобразователя

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора, см. Уравнение 19

Оценка тока пульсации индуктора:

Дельта I (l) = (0.От 2 до 0,4) x Iout (макс.) X Vout / Vin ———- (19)

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсации индуктора

Iout (макс.) = Максимальный выходной ток, важный для

Типичный прямой ток выпрямительного диода:

I (f) = Iout (max) ———- (20)

Iout (max) = оптимальный выходной ток, соответствующий Утилита

Рассеиваемая мощность в выпрямительном диоде:

P (d) = I (f)
x V (f) ———- (21)

I (f) = типичный прямой ток выпрямительного диода

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Ток при использовании резистивного делителя сети для позиционирования выходного напряжения:

I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) — ——— (22)

I (fb) = ток смещения обратной связи из таблицы данных

Значение резистора между выводом FB и GND:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ———- (23)

Значение резистора между выводом FB и Vo ut:

R1 = R2 x [Vout / V (fb) — 1] ———- (24)

V (fb) = напряжение обратной связи из техпаспорта

I ( r1 / 2) = ток
из-за резистивного делителя на GND, вычисленный в уравнении 22

Vout = искомое выходное напряжение

Наименьшая выходная емкость, в противном случае предварительно назначенная в листе данных:

Cout (мин) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ———- (25)

Iout (max) = максимально возможный выходной ток программы

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta Vout = ожидаемые пульсации выходного напряжения

Избыточные пульсации выходного напряжения из-за ESR:

Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (макс.) / (1 — D) + Delta I (l) / 2 ———- (26)

ESR = параллельное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (макс. ) = оптимальный выходной ток

D = рабочий цикл, определенный в уравнении 14

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора из уравнения 15 или 19

Схема повышающего преобразователя с использованием IC 555 — DIY Electronics Projects

В этом посте мы собираемся спроектировать и смоделировать (неинвертирующую) схему повышающего преобразователя с использованием IC 555 и MOSFET, который может подавать более высокое напряжение, чем его входное.Предлагаемая схема повышающего преобразователя может работать от 5 В до 15 В и может выдавать переменное напряжение до 40 В. Мы рассмотрим, как работает повышающий преобразователь, его компьютерное моделирование и видео.

Посмотрим:

• Что такое повышающий преобразователь?
• Повышающий преобразователь v / s Понижающий преобразователь.
• Как работает повышающий преобразователь?
• Схема и описание повышающего преобразователя.
• Моделирование и видео.
• Как на практике использовать этот повышающий преобразователь?

Что такое повышающий преобразователь?

Повышающий преобразователь — это повышающий преобразователь постоянного напряжения, выходное напряжение которого всегда больше входного, а выходной ток ниже входного . Это категория импульсных источников питания или SMPS, которые могут эффективно преобразовывать напряжение с одного уровня на другой, а его входная и выходная мощность в идеале одинаковы.

Базовая практическая схема повышающего преобразователя состоит из двух полупроводников и двух компонентов накопителя энергии . Два полупроводниковых компонента — это переключающий полевой МОП-транзистор и диод Шоттки; два компонента накопителя энергии — это катушка индуктивности, которая играет ключевую роль в повышении напряжения, и конденсатор для сглаживания выхода постоянного тока.

Повышающий преобразователь v / s Понижающий преобразователь:

Повышающий и понижающий преобразователи выполняют взаимодополняющие функции, но большинство используемых в них компонентов одинаковы, только их расположение делает их повышающими или понижающими.Давайте сравним и поймем их сходства и различия.

Параметры	Повышающий преобразователь	Понижающий преобразователь
Напряжение:	Всегда выше входного.	Всегда ниже входного.
Ток:	Всегда ниже входного.	Всегда выше входного.
Мощность:	Входная и выходная мощность в идеале одинаковы.	Входная и выходная мощность в идеале одинаковы.
Напряжение регулируется / регулируется?	Вход ШИМ	Вход ШИМ
Роль индуктора:	Для увеличения выходного напряжения путем последовательного подключения накопленной энергии к входному источнику питания.	Для снижения входного напряжения за счет сохранения избыточной энергии в катушке индуктивности и ее повторного использования в следующем цикле.
Изоляция входа / выхода:	Между входом и выходом нет гальванической развязки.	Между входом и выходом нет гальванической развязки.
Типы:	Инвертирующий и неинвертирующий.	Инвертирующий и не инвертирующий.
Приложения:	Устройства с батарейным питанием, солнечные зарядные устройства, фонари, бестрансформаторные инверторы и т. Д.	Устройства с батарейным питанием, понижающие регулируемые источники питания в телевизорах, ПК, зарядные устройства и т. Д.

Общая схема (неинвертирующего) повышающего преобразователя:

Общая схема повышающего преобразователя

Приведенная выше схема представляет собой обобщенный неинвертирующий повышающий преобразователь; он называется неинвертирующим повышающим преобразователем, потому что его входная и выходная полярности одинаковы.Вышеупомянутая схема состоит из N-канального MOSFET, катушки индуктивности, обратного блокирующего диода и электролитического конденсатора; эти четыре (основных) компонента выполняют работу по увеличению и сглаживанию вывода.

Чтобы заставить вышеуказанную схему работать, нам нужно подать высокочастотный сигнал в диапазоне десятков кГц, рабочий цикл которого можно изменять. Рабочий цикл определяет выходное напряжение . Если рабочий цикл низкий, выходное напряжение будет низким , но выше его входного , а если рабочий цикл высокий, выходное напряжение будет намного выше, чем его входное.

Рабочий цикл ШИМ

Работа повышающего преобразователя (упрощено для непрофессионала):

Предварительные знания по индуктору: 1) Индуктор препятствует резким / быстрым изменениям тока. 2) Он может хранить энергию в виде магнитного поля. 3) Когда сохраненное магнитное поле коллапсирует на катушке индуктивности (когда источник удален), полярность генерируемого тока на катушке индуктивности противоположна той, которая используется источником для создания магнитного поля.

Работу повышающего преобразователя можно лучше понять, используя два сценария:

• Когда полевой МОП-транзистор включен.
• Когда полевой МОП-транзистор выключен.

МОП-транзистор ВКЛ .:

Когда полевой МОП-транзистор включен, эквивалентная схема будет такой, как показано ниже:

Когда MOSFET включен

• Когда полевой МОП-транзистор включен, ток проходит через катушку индуктивности, полевой МОП-транзистор и, наконец, на землю.
• Как упоминалось ранее, катушка индуктивности не допускает резких изменений тока, то есть, когда полевой МОП-транзистор включен, катушка индуктивности не позволяет полному току от входа проходить через полевой МОП-транзистор и к земле, вместо этого ток будет медленно расти в микросекундный таймфрейм .
• Медленное нарастание тока происходит из-за того, что индуктор преобразует ток в магнитное поле вокруг себя. Как только магнит будет полностью построен вокруг него, в потоке тока не будет противодействия (МОП-транзистор будет выключен до того, как индуктор полностью создаст свое магнитное поле, потому что это вызовет короткое замыкание).
• Когда индуктор создаст вокруг себя достаточное магнитное поле с указанной выше электрической полярностью , полевой МОП-транзистор будет выключен. Давайте продолжим разбираться, что происходит, когда MOSFET выключен.

МОП-транзистор ВЫКЛ .:

Эквивалентная схема при выключенном МОП-транзисторе показана ниже:

Когда MOSFET выключен

• Когда полевой МОП-транзистор полностью выключен, катушка индуктивности больше не может поддерживать свое магнитное поле вокруг нее, поэтому она схлопывается на самой катушке индуктивности и действует как генератор постоянного тока в указанной выше электрической полярности (которая противоположна той, с которой подается входное питание. построил свое магнитное поле).
• Теперь, если вы посмотрите на приведенную выше схему, вы заметите, что , генерируемое напряжения на катушке индуктивности, последовательно с входным напряжением, эти два напряжения складываются, как когда две ячейки соединены последовательно, теперь выход будет суммой двух напряжений.

• Это более высокое напряжение проходит через диод и заряжает электролитический конденсатор. Диод предотвращает обратный ток заряда и обеспечивает передачу накопленного заряда на выходное соединение нагрузки.
• МОП-транзистор снова включается до того, как конденсатор потеряет значительную часть заряда, чтобы поддерживать постоянное напряжение на выходе.

Если вы хотите узнать больше о повышающем преобразователе и связанных с ним технических терминах, таких как непрерывный режим, режим прерывания и связанные с ним математические вычисления, обратитесь к этой странице ресурсов Википедии.

Полная принципиальная схема повышающего преобразователя:

Повышающий преобразователь с использованием IC 555

ПРИМЕЧАНИЕ. Абсолютное максимальное входное напряжение составляет 15 В, выше которого MOSFET / IC 555 может выйти из строя.

Описание цепи:

Указанная выше схема может быть построена с использованием общедоступных активных и пассивных компонентов. Вышеупомянутая схема состоит из двух каскадов: генератора и каскада повышения, давайте рассмотрим их подробно.

Генератор IC 555:

Вечнозеленая микросхема IC 555 сконфигурирована в режиме нестабильного мультивибратора, который генерирует колебания с частотой около 30 кГц с помощью RC-компонентов, соединенных вокруг нее.

Для управления выходным напряжением нам необходимо контролировать рабочий цикл IC 555, для этого два диода с быстрым переключением 1N4148 подключены встречно параллельно между контактом № 7 и потенциометром 47K, вращая потенциометр по часовой стрелке и против часовой стрелки, мы можем отрегулировать его рабочий цикл, как и выходное напряжение повышающего преобразователя.

Роль 4,7 кОм на выходе потенциометра: Резистор 4,7 кОм подключается к выходной клемме потенциометра 47 кОм, чтобы ограничить рабочий цикл IC 555 до 90%, это очень важно, потому что, если пользователь полностью поворачивает ручку, выход станет насыщенным, т.е. 100% рабочий цикл.

При 100% рабочем цикле полевой МОП-транзистор постоянно включен и создает полное короткое замыкание через индуктор .

Мы также обнаружили с помощью моделирования, что примерно выше 90% рабочего цикла выходное напряжение не увеличивалось, а значительно снижалось, это могло быть связано с тем, что полевой МОП-транзистор включен слишком долго и недостаточно времени для того, чтобы магнитное поле индуктора схлопнулось и генерировало напряжение. через это.

Бустерная ступень:

Ступень повышения напряжения точно такая же, как и общая схема повышающего преобразователя, которая была показана ранее в этом посте, теперь мы должны задать фиксированное значение для каждого из компонентов.

МОП-транзистор:

Рекомендуемый MOSFET для этого повышающего преобразователя — IRLZ44N (не путать с IRFZ44N ), IRLZ44N — это полевой МОП-транзистор логического уровня, который может полностью включаться при 5 В (Vgs), нам нужно такое более низкое напряжение GATE, потому что в качестве повышения В схеме преобразователя мы будем применять более низкое напряжение, например 5 В / 6 В, чтобы извлечь из него более высокое напряжение, при этих более низких напряжениях другие полевые МОП-транзисторы общего назначения не включаются полностью.

Если у вас не было МОП-транзистора IRLZ44N, вы можете заменить его на МОП-транзистор IRFZ44N, схема по-прежнему работает, но будут некоторые потери эффективности.

Диод:

Цепь усилителя имеет диод Шоттки, который предотвращает возврат заряда, накопленного в конденсаторе, к катушке индуктивности и обеспечивает передачу повышенного напряжения на электролитический конденсатор и нагрузку.

Рекомендуемый диод — 1N5822, который представляет собой быстросменный диод Шоттки, предназначенный для работы на более высоких частотах, подобных этой, а также имеет более низкое прямое падение напряжения, что способствует большей эффективности.

Вы также можете использовать кремниевый диод 1N4007, если у вас нет диода Шоттки, но это приведет к снижению эффективности.

Конденсатор:

Мы используем стандартный электролитический конденсатор с номинальным напряжением не менее 50В ; это связано с тем, что предлагаемая схема повышающего преобразователя при отсутствии нагрузки может значительно превышать заданное напряжение, и конденсатор должен выдерживать его.

Моделирование повышающего преобразователя:

Щелкните здесь, чтобы загрузить файлы моделирования Proteus.

Принципиальная схема в программе моделирования Proteus:

Схема моделирования повышающего преобразователя

Рабочий цикл виртуального осциллографа:

Практическое применение этого повышающего преобразователя:

Предлагаемый повышающий преобразователь может быть построен не только на программном обеспечении для моделирования, но и на практике. Если вы создаете этот повышающий преобразователь, вот правильные способы работы с этой схемой:

1. Сначала держите ручку потенциометра на минимальном уровне.
2. Подключите нагрузку к ее выходу и подключите вольтметр постоянного тока к нагрузке.
3. Теперь включите цепь повышающего преобразователя.
4. Осторожно поверните потенциометр, чтобы увеличить напряжение, после достижения желаемого напряжения перестаньте расти дальше.
5. Когда вы в следующий раз включите схему с той же нагрузкой, схема будет выдавать такое же напряжение, как вы установили ранее.
6. Повышающий преобразователь следует включать только после того, как нагрузка будет подключена к его выходу вначале , это потому, что при отсутствии нагрузки выходное напряжение сильно возрастает, и подключение нагрузки сейчас может повредить его.
7. Этот повышающий преобразователь лучше всего подходит для фиксированных нагрузок, что означает, что потребляемая мощность нагрузки всегда остается стабильной.

Если у вас есть какие-либо вопросы относительно этого поста, не стесняйтесь, как мы в комментарии, вы получите от нас гарантированный ответ.

Blogthor

Меня зовут blogthor, я профессиональный инженер-электронщик, специализирующийся на встроенных системах. Я опытный программист и разработчик электронного оборудования. Я основатель этого веб-сайта, я также любитель, DIYer и постоянный ученик.Я люблю решать ваши технические вопросы в разделе комментариев.

7 идей схемы 555 повышающих преобразователей постоянного тока

Это 555 схем повышающих преобразователей постоянного тока.

Зачем их использовать?

Предположим, у вас возникли эти проблемы.

Низкое напряжение! Слишком высоко! или нужно переключить полярность и многое другое.

Есть много способов решить эти проблемы.

Но сегодня позвольте мне порекомендовать эти схемы преобразователя постоянного тока в постоянный.

Любое использование 555 является ключевым. Делали светодиодный мигалку на 555?

Вам это нравится.я тоже. Мы делаем это легко, потому что он маленький и состоит из нескольких частей. Пока светодиод мигает, это переменный ток.

Вы разбираетесь в постоянном и переменном токе? Нам нужен DC, верно? Например, 12 В, 5 В, -5 В и другие.

Нам известно, что переменный ток легко меняет форму, чем постоянный ток.

Представьте, что сигнал переменного тока попадает в выпрямительный диод. Что происходит?

Выходное напряжение — постоянный ток и имеет желаемую полярность.

Мне кажется непонятно какое то понять.

Смотрите: Ниже!

7 sample 555 Цепи повышающего преобразователя постоянного тока с таймером ждут, чтобы вы их увидели.

Готовы начать?

Сначала прочтите: Как работает схема таймера NE555 | Технический паспорт | Распиновка

Изолированная схема преобразователя постоянного тока в постоянный

Это изолированная схема преобразователя постоянного тока в постоянный в цифровом виде. При использовании цифровой измерительной схемы для соединения с другими схемами.

Если первичное напряжение составляет 5 В, но требуется более высокое напряжение в диапазоне от 9 В до 12 В.

Эта схема может решить вашу проблему!

Он может преобразовывать входной сигнал постоянного тока 5 В в постоянный ток 7.Выход от 5 В до 12 В при токе 50 мА.

Важно! это изолированный стиль дает хорошее представление.

Они включают в себя несколько деталей, таймер 555, небольшой трансформатор, стабилитрон и многое другое в простой схеме.

Это может вам помочь.

Как это работает

Принципиальная схема преобразователя постоянного тока 555 для цифрового

Включенная цепь состоит из нестабильных мультивибраторов, использующих таймер 555. Они будут контролировать включение и выключение источника питания. Управлять трансформатором-Т1 через транзистор Q1-BC547.

Выходное напряжение вторичной катушки выпрямляется D4 (в полуволнах). И фильтруется конденсатором С3. Затем есть стабилитрон-ZD1, который действует как регулируемое напряжение.

Предупреждение: Не используйте источник питания более 15 В, так как IC1 поврежден.

CR: https: //commons.wikimedia.org/wiki/File: Failed_SMPS_controller_IC_ISL6251.jpg

Как выбрать детали в изолированном преобразователе постоянного тока

Transformer-T1
Это шаблон с соотношением сторон 1: 1.Вы можете посмотреть на эти трансформаторы во многих случаях. Например, для управления SCR и небольшим радиотрансформатором и т. Д.

Каждый тип трансформатора подходит для разных частот и ширины импульса.

• SCR трансформатор подходит для частоты 100 кГц.
• Преобразователи звуковой частоты , а также приблизительно от 0,5 до 40 Гц.

VR1 и VR2
Для регулировки частоты и ширины импульса выходного генератора.

Затем посмотрите на рисунок ниже. Частотный сигнал включает двухкратную ширину.

• Время зарядки контролируется VR1, R1 и C1.
• Время разряда контролируется VR2, R2 и C1.

Диоды D1, D2 каждый раз устанавливают направление тока.

Частоту цепи можно получить следующим образом:

F = 1 / [0.7C1 (VR1 + VR2 + R1 + R2)]
= Hz

Как найти частоту выходного импульса постоянного тока генератора 555

Стабилитрон ZD1
Для установки выходного напряжения.Например, 7,5 В, 9 В, 12 В макс.

Детали, которые вам понадобятся

IC1: таймер 555
Q1: BC548, транзистор NPN
D1-D4: 1N4148 диоды
C1, C3: 10 мкФ 25 В Электролитический
C2: 0,001 мкФ 50 В Керамический конденсатор
0,25 Вт 5% Резисторы
, R2: 1K
R3: 4,7K
R4: 220 Ом
VR1, VR2: потенциометр от 100K до 1M

Примечание Трансформатор должен быть подключен с соблюдением полярности. Не подключайтесь к неправильному терминалу.

Продолжайте читать »

Easy! Повышающий преобразователь с 5 В на 12 В

Чтение: 7805 и 7905 Проект двойного регулируемого источника питания

Более того

Удвоитель напряжения 12 В постоянного тока на 24 В постоянного тока с использованием двойной цепи NE555

9r от напряжения 12 В постоянного тока до 24 В постоянного тока.Используйте очень популярный номер IC, таймер NE555. И еще несколько устройств.

Удвоитель напряжения постоянного тока от 12 В до 24 В с использованием NE555

Он может дать ток порядка 10-20 мА. Схема требует слабого тока и нестабильности.

Принцип работы схемы работает

При использовании входного напряжения 12 В постоянного тока подача цепи будет плавно касаться тока фильтра с увеличением.

Конденсаторы C5 отдают с IC1. Резистор R1, R2 и конденсаторы C1.

Которая строит модель схемы нестабильного мультивибратора генератора прямоугольных импульсов.На частоте около 2 кГц выходит вывод 3 микросхемы IC1.

Имея конденсаторы C3, диод C4 D1 и D2. Что будет повышать напряжение x 2.

Что увеличит уровень напряжения на выходе при постоянном токе примерно на 24 В постоянного тока. Или в 2 раза выше уровня входного напряжения.

Другое Удвоитель Повышающий преобразователь напряжения
Использование TDA2822
Схема повышающего преобразователя постоянного тока

Этого недостаточно. Нам нужно больше напряжения.

Преобразователь постоянного тока в постоянный с использованием NE555

Мы назвали схему повышающего преобразователя постоянного тока 555.Для увеличения выходного напряжения. Могут измениться выходные значения.

Например, преобразователь 6 В постоянного тока в 12 В постоянного тока , вход 12 В постоянного тока на выход 24 В постоянного тока.

Вот пошаговый процесс.

Когда входные напряжения попадают в IC1-NE555. Выходной сигнал выходит из контакта 3 с частотой 1 кГц.

Тогда частота поступает в оба транзистора Q1-BC547 и Q2-BC557. Это двухтактные усилители для увеличения уровня сигнала.

Q1 работает с положительным сигналом.Напротив, Q2 работает с отрицательным сигналом.

По этой причине конденсаторы C2 и C3 работают с полуволновым чередованием.

При подключении нагрузки использовать. Напряжение с C2 на C3 разряжается.

Это вызывает на выходе более высокое напряжение почти в два раза, меньше чем в 2 раза.

Из-за потери внутри обоих диодов D1-D3.

Это еще не все…

Вы хотели -отрицательное напряжение?

Посмотрите: Ниже

Читайте также:

Аккумулятор 9 В заменен на -5 В

Иногда мы хотим проверить цепи, требующие отрицательного источника питания -5 В.Но у нас только батарея на 9В.

Как заменить батарею 9В на -5В. Звучит неплохо?

Позвольте мне объяснить, почему эта схема может работать?

Посмотрите на схему

Как и в приведенных выше схемах, NE555 выдает прямоугольный сигнал на выходе около 6В.

Когда на выходе положительный импульс. Затем C2 заряжает напряжение через D1 на землю.

А если импульс отрицательный. Конденсатор C2 разряжается через диод D1 и конденсатор C3.

Получаем отрицательное напряжение около -6В.И есть стабилитрон для поддержания стабильного напряжения -5В. При выходном токе около 12 мА макс.

Низкий ток отрицательного напряжения питания

у нас есть адаптер переменного тока для различных экспериментов с электронными схемами. Но это единый блок питания только положительного напряжения.

Представьте, что ваша схема тоже требует отрицательного напряжения.

Как это дело?

Эта схема является ответом. Почему?

Он может преобразовывать положительное напряжение от адаптера переменного тока в отрицательное выходное напряжение.

Посмотрите: в схеме.

Конечно, мы используем IC1-555, как и вышеупомянутые схемы с R1, R2 и C1. Это стабильная схема с несколькими вибраторами.

И его выходной сигнал — прямоугольная волна. Это частота импульса положительного сигнала 2,3 кГц на выходе 3 микросхемы IC1.

И C3 и D1 подключены к цепи ЗАЖИМА. Они служат для положительного импульса отрицательного импульсного сигнала.

Действие отрицательного импульсного сигнала D2 и C3 преобразуется в электрические сигналы постоянного тока (DCV) в отрицательный.Итак, выходное напряжение постоянного тока на отрицательное электрическое.

Другое: 555 Схема повышающего преобразователя постоянного тока работает

Простой двойной источник питания от одного источника

Мне нравится пробовать разные схемы, используя адаптер в качестве источника питания.

Но есть и недостатки. Представьте, что мы узнали о 741 работе операционных усилителей.

Мы не можем использовать этот адаптер. Потому что для операционных усилителей требуется трехконтактный источник питания: положительный, отрицательный и земля.

Я хочу, чтобы вы опробовали эту схему ниже.

Хотя, дает низкий ток мощности, ниже 10 мА.

Позвольте мне вам объяснить.

NE555 в стабильной цепи мультивибратора генерирует прямоугольную волну частоты около 100 Гц на выводе 3.

Этот импульсный сигнал проходит через C3 и C4, прежде чем выпрямится до постоянного напряжения. У них есть как положительные, так и отрицательные, + 9В и -9В.

Положительный источник питания будет работать с выпрямителем D1 и D2. При положительном сигнале через D2 на выход.

И фильтруется C5, чтобы отфильтровать напряжение, чтобы снова сгладить.Если есть отрицательный сигнал, D1 передаст его на землю.

В отличие от отрицательной части, как D3, так и D4 выпрямителя. При отрицательном сигнале к выходному сигналу следует поступать через D3. И будет отфильтрован от C6, чтобы снова сгладить.

No related posts.