Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

04.09.2024 Andrey 0 Comments

Многим радиолюбителям сложно определиться с типом источника питания, но на самом деле это не так уж и сложно. Основной метод преобразования напряжения заключается в использовании одного из двух вариантов схемотехники:

трансформатор;
Бестрансформаторный источник питания.

Содержание статьи

Бестрансформаторная схема
Основные типы импульсных преобразователей напряжения
Как работает переключающий понижающий преобразователь
Как работает импульсный повышающий преобразователь
Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

Трансформаторы, в свою очередь, различаются в зависимости от типа схемы:

Сеть, рабочая частота трансформатора 50 Гц;
В импульсном режиме трансформатор работает на высоких частотах (десятки тысяч Гц).

Импульсные цепи питания могут повысить общую эффективность конечного продукта за счет предотвращения статических потерь в линейных стабилизаторах и других компонентах.

Бестрансформаторная схема

Если требуется бытовая электросеть напряжением 220 В, включить простейшие устройства можно за счет снижения напряжения электросети с помощью балластных элементов. Хорошо известным примером такого типа источника питания является схема с балластными конденсаторами.

Однако существует множество драйверов со встроенными ШИМ-контроллерами и силовыми ключами для построения бестрансформаторных переключающих понижающих преобразователей, которые часто встречаются в светодиодных лампочках и других устройствах.

При питании от источника постоянного тока (например, аккумулятора или другого первичного элемента) используйте:

Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с проходным транзистором или без него, параметрический стабилизатор со стабилитроном и транзистором)
Импульсный преобразователь (Buck-BUOST, Boost-BOOST или Buck-Boost-BUCK-BOOST)

Преимущества бестрансформаторных источников питания и преобразователей заключаются в следующем:

Нет необходимости наматывать трансформатор, преобразование осуществляется дросселями и кнопками;
Первое приводит к меньшему размеру источника питания.

Отсутствие гальванической развязки может привести к появлению напряжения в сети питания при выходе из строя ключа. Это крайне важно, особенно когда его роль выполняет сеть 220 В;
Опасность поражения электрическим током из-за гальванической связи;
Большой размер дросселя на мощных преобразователях ставит под сомнение целесообразность использования такой топологии питания. При сопоставимых массогабаритных параметрах можно применять трансформаторы, преобразователи гальванической развязки.

Основные типы импульсных преобразователей напряжения

В отечественной литературе часто встречается аббревиатура «IPPN», которая расшифровывается как: Pulse Buck (или Buck, или оба) преобразователь напряжения

В качестве основы можно выделить три основные схемы.

1. IPPN1 — понижающий преобразователь, в английской литературе — BUK DC CONVERTER или Step-down.

2. IPPN2 – Boost Converter, в английской литературе – BOOST DC CONVERTER или Step-up.

3. IPPN3 – Инвертирующий преобразователь с повышающей и понижающей функцией, повышающе-понижающий преобразователь постоянного тока.

Как работает переключающий понижающий преобразователь?

Давайте сначала рассмотрим первое решение — принцип работы IPPN1.

В этой схеме можно выделить две цепи питания:

1. «+» источника питания подается на Lн (накопительный дроссель) через специальный ключ (любой тип транзистора соответствующей проводимости), а затем ток через нагрузку поступает на «-» источника питания.

2. Вторая цепь состоит из диода D, дросселя Ln и подключенной нагрузки Rn.

Когда переключатель замкнут, ток течет через первую цепь, которая протекает через индуктор, и в его магнитном поле накапливается энергия. Когда мы замыкаем (размыкаем) переключатель, энергия, накопленная в катушке, рассеивается в нагрузку, а ток протекает через вторую цепь.

Выходное (нагрузочное) напряжение этого преобразователя равно

Ku – коэффициент преобразования, который зависит от скважности импульса управления силовым ключом.

Рабочий цикл «D» — это отношение времени включения кнопки к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: Для IPPN1 Ku=D. Это означает, что предел регулирования этого стабилизатора примерно равен 0…Uвых.

Полярность выходного напряжения этого преобразователя аналогична входному напряжению.

Как работает импульсный повышающий преобразователь

ИППН2 — Способен повышать напряжение питания в десятки раз. В принципе, он состоит из тех же элементов, что и предыдущий.

Читайте также статью: Как живут веганы

Любой такой преобразователь имеет три основных рабочих компонента:

Управляемые ключи (биполярные, полевые, IGBT, MOSFET транзисторы);
Неуправляемое переключение (выпрямительный диод);
Кумулятивная индуктивность.

Через дроссель всегда течет ток, меняется только его величина.

Чтобы понять, как работает этот преобразователь, нужно запомнить закон переключения дросселя: «Ток через дроссель не может измениться сразу».

Это вызвано явлением, называемым самоиндуцированной электродвижущей силой или обратной электродвижущей силой. Поскольку электромагнитное поле индуктора предотвращает резкие изменения тока, катушку можно рассматривать как источник питания. Ну в этой схеме при замыкании ключа через катушку начинает течь большой ток, но, как уже говорилось, резко увеличиться он не может.

Обратная ЭДС – это явление, когда на конце катушки, противоположном приложенному, возникает электродвижущая сила. Если бы вы для ясности представили это на схеме, вам пришлось бы думать о катушке индуктивности как об источнике ЭДС.

Число «1» представляет состояние схемы, когда кнопка закрыта. Обратите внимание, что знаки источника питания и катушки ЭДС идут последовательно через плюсовую клемму, т.е значения их ЭДС вычитаются. В этом случае индуктивность препятствует протеканию тока, а точнее замедляет его рост. По мере ее роста, через определенный интервал времени, величина обратной ЭДС уменьшается, а ток через индуктор увеличивается.

Лирическое отступление:

Величина ЭДС самоиндукции измеряется в вольтах, как и любая другая ЭДС.

За это время основной ток протекает по цепи: источник питания – дроссель – замкнутый ключ.

Когда переключатель SA разомкнут, цепь 2. Ток начинает течь по следующей цепи: источник питания – дроссель – диод – нагрузка. Потому что сопротивление нагрузки обычно значительно больше сопротивления канала закрытого транзистора. При этом ток, протекающий через индуктор, не меняется внезапно, индуктор всегда стремится сохранить направление и величину тока, поэтому обратная ЭДС появляется снова, но уже с противоположной полярностью.

Обратите внимание на второй картинке, как соединены полюса источника питания и источника ЭДС, заменяющего катушку. Они соединены последовательно с противоположными полюсами, и величины этих электродвижущих сил складываются.

Это приводит к увеличению напряжения.

В процессе индуктивного накопления энергии энергия, ранее запасенная в сглаживающем конденсаторе, подается в нагрузку.

Коэффициент пересчета в IPPN2 равен

Видео: Простейший высоковольтный преобразователь напряжения

Из формулы видно, что чем больше рабочий цикл D, тем больше выходное напряжение. Полярность выходной мощности соответствует входной мощности преобразователя этого типа.

Полезная электроника своими руками, самоделки из электроники в Telegram: практичные электронные товары на каждый день

Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирующий преобразователь напряжения является довольно интересным устройством, поскольку может работать как в понижающем, так и в повышающем режиме. Однако стоит учитывать, что его выходное напряжение имеет обратную полярность входному, т.е на общей линии появляется положительный потенциал.

Изменение направления проводимости диода D также очевидно. Принцип его работы чем-то похож на IPPN2. При замыкании ключа Т происходит процесс накопления индуктивной энергии и мощность от источника не достигает нагрузки из-за диода Д. Когда переключатель замыкается, индуктивная энергия начинает рассеиваться в нагрузке.

Ток продолжает течь через индуктор, и появляется электродвижущая сила самоиндукции, имеющая направление, противоположное полярности основного источника питания, развивающееся на конце катушки. Вон те. На соединении эмиттера транзистора (стока, если транзистор полевой), катода диода и конца обмотки катушки возникает отрицательный потенциал. Другой конец — положительный полюс.

Коэффициент пересчета IPPN3 равен:

Просто подставив коэффициент заполнения в уравнение, мы определяем, что до значения D, равного 0,5, преобразователь действует как понижающий преобразователь, а выше этого значения — как повышающий преобразователь.

Как управлять такими преобразователями?

Описание всех вариантов построения ШИМ-контроллера заняло бы много времени, техническая литература по этому вопросу могла бы занять несколько томов; Я просто хочу перечислить несколько простых вариантов:

1. Соберите схему асимметричного мультивибратора. В схему ИППН вместо VT3 включен транзистор.

2. ШИМ на NE555 — чуть более сложный, но более стабильный по частоте вариант (нажмите на изображение для увеличения).

Измените схему так, чтобы VT1 был транзистором. Измените схему так, чтобы на его месте был транзистор IPPN.

3. Вариант — использовать микроконтроллер, так же можно выполнять множество дополнительных функций. Микроконтроллеры AVR отлично подходят для новичков; По этому поводу есть отличный видеоурок.

в заключение

Импульсные преобразователи напряжения являются очень важной темой в отрасли электропитания электронного оборудования. Подобные схемы можно найти повсюду, а в последнее время, с ростом популярности «самоделок» или ныне популярных «сделай сам» и популярностью сайта AliExpress, этот преобразователь стал особенно популярен и востребован, вы можете заказать один готовый преобразователь. Платы, ставшие классическими благодаря LM2596 и подобным преобразователям, всего за несколько долларов позволяют регулировать напряжение или ток, или и то, и другое.

еще одна популярная материнская плата — mini-360

Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствуют транзисторы. Фактически в микросхему встроен, помимо прочего, ШИМ-контроллер, схема обратной связи стабилизации выходного напряжения и т.д. Однако эти схемы можно улучшить, установив дополнительные транзисторы.

Если вы заинтересованы в разработке схемы, подходящей для ваших нужд, вы можете более подробно ознакомиться с проектными взаимосвязями в следующей литературе:

«Компоненты для построения блоков питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, ГК Симметрон
«Стабильные транзисторные преобразователи» В. С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.

Схемотехника источников питания, таких как светодиодные световые панели
Подключение Arduino и программирование для начинающих
Типы и конструкции микроконтроллеров AVR

Надеюсь, эта статья была вам полезна. См также «Электрическая энергия в повседневной жизни и работе» Другие статьи в категории «Практическая электроника

Подписывайтесь на наш Telegram-канал об электронике для профессионалов и любителей: Полезная электроника для повседневного использования

Поделитесь этой статьей с друзьями: