DC DC

Импульсные источники питания обеспечивают более высокую эффективность, чем обычные линейные. Они могут повышать напряжение, понижать и инвертировать. Некоторые устройства изолируют выходное напряжение от входного.

Повышающий преобразователь напряжения 12/35 В

Общее понятие о преобразователях DC DC

Линейные стабилизаторы, используемые в трансформаторных БП, поддерживают постоянное выходное напряжение благодаря элементу схемы, например, транзистору, на котором осаждается избыточное напряжение. Система управления постоянно контролирует выходное напряжение и корректирует его падение на этом элементе.

Линейные стабилизаторы имеют некоторые преимущества:

• отсутствие помех;
• низкая цена и простота эксплуатации.

Но такое устройство не лишено недостатков:

• избыточное напряжение преобразуется в тепло;
• нет возможности увеличить напряжение.

Преобразователи dc в dc импульсного типа представляют собой схемы, способные конвертировать один уровень напряжения в другой, используя катушки и конденсаторы, временно сохраняя в них энергию и разряжая их таким образом, чтобы получить конечные желаемые уровни сигнала.

Принцип работы импульсного преобразователя

Основа для работы многих преобразователей – явление самоиндукции. Допустим, есть катушка индуктивности, через которую протекает постоянный ток. Если внезапно прервать протекание тока, в магнитном поле, индуцированном вокруг катушки, возникает ЭДС самоиндукции и, соответственно, напряжение с обратной полярностью на ее клеммах.

Импульсный преобразователь – электронная схема, содержащая катушку, которая циклически подключается к источнику питания и отключается.

1. Если индуцированное напряжение добавляется к входному, то получается повышающий преобразователь;
2. При включении катушки так, чтобы индуцированное в ней напряжение вычиталось из напряжения ИП, будет схема понижения напряжения.

Так как катушка требует циклической зарядки, в схеме необходим конденсатор, который будет фильтровать сигнал и поддерживать постоянное выходное напряжение.

Параметры импульсных преобразователей

Основные технические характеристики устройств, указываемые производителем:

1. Выходное напряжение. Может быть зафиксировано (нерегулируемо) или установлено в определенном диапазоне. В случае возможных отклонений производитель должен указать их пределы, например, 5В +/- 0,2 В;
2. Максимальный выходной ток;
3. Входное напряжение;
4. Эффективность. Понимается, как отношение выходной мощности к входной. Разница между ними – это потери, выделяющиеся в виде тепла. Показатель выражается в процентах. Чем ближе к 100%, тем лучше.

Входное напряжение, в зависимости от типа инвертора, может быть:

• ниже выходного, если схема повышающая (boost);
• выше выходного, если преобразователь понижающий (buck);
• выше или ниже, но в пределах диапазона (sepic).

Повышающие преобразователи незаменимы, когда необходимо поднять напряжение. Допустим, устройство оснащено литий-ионным аккумулятором 3,6 В и ЖК-дисплеем, предназначенным для питания 5 В.

В случае третьей конфигурации входное напряжение может колебаться, решение о его повышении или понижении принимает сама схема, чтобы получить стабильный сигнал на выходе. Эти преобразователи идеально подходят для работы в схемах, где напряжение питания мало отличается от желаемого. Хотя диапазон регулирования может быть большим. Например, на входе – 4-35 В, на выходе – 1,23-32 В.

Так как потери мощности малы, преобразователь напряжения dc dc хорошо подходит для схем с питанием от низковольтных аккумуляторов. Он полезен, например, когда управляющая электроника питается от 5 В, а исполнительные компоненты – от батареи 12 В.

Если предположить, что управляющая электроника берет ток 200 мА, то мощность потребления будет 5 В х 200 мА = 1 Вт. При использовании стабилизатора 7805 для снижения напряжения мощность, потребляемая от батареи, составит 12 В х 200 мА = 2,4 Вт. Мощность, которую приемник не будет принимать, – 1,4 Вт, преобразуется в тепло. Нагрев стабилизатора будет значительным.

Стабилизатор 7805

В случае применения импульсного преобразователя с эффективностью 90% мощность, потребляемая от батареи, равна 1,11 Вт. Потери – всего 0,11 Вт. Температура модуля поднимется практически незаметно.

Кроме трех типов преобразователей dc dc существуют еще инвертирующие, меняющие полярность выходного сигнала. Такая схема нужна для питания операционных усилителей.

Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это тип сигнала, используемый для изменения количества энергии, отправляемой на нагрузку. Он широко используется в цифровых схемах, которые должны эмулировать аналоговый сигнал.

Импульсный сигнал

Вырабатываемые импульсы являются прямоугольными, относительная ширина которых может изменяться по сравнению с периодом. Результат этого соотношения называется рабочим циклом, а его единицы представлены в процентах:

D = t/T x 100%, где:

• D – рабочий цикл;
• t – время, когда сигнал положительный;
• Т – период.

Рабочий цикл изменяется таким образом, что среднее значение сигнала является приблизительным напряжением, которое требуется получить. Меняя значение D, можно управлять ключевым транзистором, что применяется почти во всех схемах импульсных преобразователей.

Работа понижающего преобразователя

Фундаментальная схема состоит из индуктивности, конденсатора, диода, ключевого транзистора. Транзистор служит для переключения сигнала с высокой частотой и управляется с помощью ШИМ. Рабочим циклом D задается время открытия и закрытия транзистора.

Работа понижающего преобразователя

1. Когда транзистор открыт, ток проходит через катушку, нагрузочное сопротивление и конденсатор. В дросселе и конденсаторе накапливается энергия, а ток увеличивается не скачкообразно, а постепенно. В это время диод заперт;
2. При достижении заданного уровня напряжения, что определяет параметры управления транзистором, транзистор запирается, но за счет ЭДС самоиндукции в дросселе ток начинает протекать по контуру, образованному с участием открытого диода, так как полярность на катушке изменилась. При этом ток медленно уменьшается со скоростью Uout/L.

Регулируя управление транзистором, можно получить необходимый уровень напряжения, но не выше входного.

Повышающий преобразователь

Его схема содержит те же элементы, что и понижающее устройство, но соединение их отличается. Открытием транзистора по-прежнему управляют настройки ШИМ.

Функциональная схема повышающего преобразователя

1. При открытом транзисторе ток проходит через дроссель и транзистор. Ток в катушке увеличивается со скоростью Vin/L, и она запасает энергию. Диод на этом этапе закрыт, чтобы не позволить разрядиться через транзистор выходному конденсатору, который, в свою очередь, питает нагрузочное сопротивление;
2. При понижении напряжения меньше определенного уровня транзистор закрывается управляющим сигналом. Диод открывается, и выходной конденсатор подзаряжается. Напряжение входа суммируется с напряжением, генерируемым на катушке, и выходной сигнал оказывается выше;
3. При достижении пределов заданного напряжения тиристор опять открывается, и цикл повторяется.

В преобразователях SEPIC схема построена по комбинированному принципу. В ней устанавливается еще один дроссель и конденсатор. Компоненты L1 и C2 работают для повышения напряжения, L2 и C1 – для понижения напряжения.

Схема преобразователя SEPIC

Преобразователь напряжения с гальванической развязкой

Изолированные dc dc преобразователи требуются в широком диапазоне применений, включая измерение мощности, промышленные программируемые логические контроллеры (PLC), источники питания с биполярным транзистором с изоляцией (IGBT) и т. д. Они используются для обеспечения гальванической изоляции, повышения безопасности и помехоустойчивости.

В зависимости от точности регулирования выходного напряжения, dc dc преобразователи с гальванической развязкой делятся на три категории:

• регулируемые;
• нерегулируемые;
• полурегулируемые.

У таких устройств входная цепь изолирована от выходной. Самая простая схема прямоходового преобразователя имеет две изолированных цепи: в одной – ключевой транзистор и трансформатор, в другой – катушка индуктивности, конденсатор, нагрузочное сопротивление. На транзистор подается импульсный управляющий сигнал с рабочим циклом D.

Схема однотактного прямоходового и обратноходового преобразователя

1. Когда транзистор открыт, то диод VD пропускает ток, а D1 заперт. Ток протекает по контуру через катушку, конденсатор и нагрузку. В катушке идет накопление энергии;
2. При запирании транзистора напряжение на трансформаторных обмотках изменяет знак, поэтому VD закрывается, а D1 начинает пропускать ток, который протекает по контуру между катушкой, D1, конденсатором и нагрузочным сопротивлением. Выходное напряжение будет равно:

Uout = (w2/w1) x D, где w2, w1 – количество витков двух обмоток трансформатора.

Так работает схема прямоходового однотактного преобразователя. Существуют обратноходовые схемы и двухтактные, с подачей энергии на выход в течение обоих преобразовательных циклов. Для снижения потерь вместо диодов применяются МОП-транзисторы.

Видео