Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения. Импульсный преобразователь. Режим повторных включений ИИП Принцип работы импульсного преобразователя напряжения

Импульсный повышающий преобразователь напряжения 12 24 220 и другие…

Проблема получения в большегрузном автомобиле напряжения, необходимого для питания радиостанций, автоэлектроники и средств связи (12-14 Вольт) может быть решена несколькими способами.

Самый простой из них взять необходимое напряжение с одного аккумулятора. Но последствия таких "экспериментов" печальны: через некоторое время аккумулятор придется выбросить. Другой, "цивилизованный" способ это установить в автомобиле устройство которое позволит получить необходимое напряжение без ущерба для штатной системы электрооборудования машины. В настоящее время выпускается два типа подобных устройств принципиально отличающихся друг от друга.

Инженеры имеют широкий выбор в широком диапазоне контроллеров регуляторов напряжения, предлагаемых крупными поставщиками. Современные устройства в значительной степени превысили основные недостатки устаревших конструкций, используя такие методы, как управление подачей напряжения для моделей с контролем напряжения и компенсацией наклона для моделей с управлением токовым режимом.

Результатом этих нововведений является то, что инженеры имеют широкий выбор обоих типов топологии. Контроллеры с контролируемым напряжением рекомендуются, когда возможны широкие вариации линейных или выходных нагрузок при наличии низких нагрузок в шумных приложениях и когда требуется многократное выходное напряжение с хорошим перекрестным регулированием.

Первая группа - это линейные стабилизаторы напряжения (адаптеры). Суть данного вида стабилизации состоит в том, что "лишнее" напряжение "остается" на регулирующем элементе. При этом ток который течет от аккумулятора (Iакк. рис.1) равен току текущему в полезную нагрузку (Iн. рис.1), а поскольку входное напряжение в два раза превышает выходное значит мощность потребляемая от аккумулятора в 2 раза превышает мощность которую потребляет полезная нагрузка, т.е. КПД такого стабилизатора (адаптора) 50% (а реально и еще меньше). Попробуем для наглядности подставить живые цифры. Возьмем ток полезной нагрузки Iн.=20Ампер.

Обратноходовые и прямоходовые импульсные преобразователи

Устройства с режимом текущего режима рекомендуются для приложений, где выходная мощность является сильным током или высоким напряжением, когда самый быстрый ответ на конкретную частоту требуется, если изменения входного напряжения ограничены и в приложениях, где стоимость и количество компонентов должны быть сведены к минимуму.

Увеличение выходной мощности

Позвольте мне передать на этой странице основные моменты того, что было моим верхним тезисом. Полная работа всегда доступна для скачивания. Тип, выбранный в этом случае, является третьим, то есть он будет работать только с эффективным значением напряжения, которое подает устройство, чтобы получить регулировку величины, которую вы хотите контролировать. Основной мотив заключается в простоте дизайна и конструкции, что также приводит к большой экономической эффективности решения.

Ракк. = Iакк. х Uакк. = 20 А х 28 В = 560 Ватт

Рн. = Iн. х Uн. = 20 А х 14 В = 280 Ватт

Разница этих мощностей (280 Ватт) выделяется в виде тепла, нагревая радиатор стабилизатора. Чтобы рассеивать такую мощность в течении продолжительного времени нужен радиатор огромных размеров. Реально данные стабилизаторы (адаптеры) выполнены на радиаторах гораздо меньших размеров, а это значит что если производитель заявляет, что максимальный ток стабилизатора равен 20-ти Амперам, то продолжительный режим работы стабилизатора будет возможен при токе 6-7 Ампер, не более. Эти преобразователи оптимальны для питания радиостанций и аудио аппаратуры т.к. максимальный ток эти приборы потребляют как раз кратковременно.

Регулировка части сигнала мощности, которая достигает нагрузки; это то, что делают преобразователи фазового угла. В обоих случаях напряжение частично вычитается, из которого рождается термин «частичное преобразование», который без разбора идентифицирует два типа. Здесь показана принципиальная схема , одинаково справедливая для двух типов. Как будет очевидно, частизация напряжения осуществляется одним или несколькими полупроводниковыми силовыми устройствами, которые между подачей и нагрузкой подают и отключают напряжение на последнем.

Вторая группа – это импульсные устройства . Принципиальное отличие импульсной схемотехники заключается в том, что она позволяет получить источники питания с высоким КПД, до 90%. В таких преобразователях "лишнее" напряжение не рассеивается в виде тепла, а преобразовывается в "дополнительный" ток на выходе. В свою очередь импульсные устройства можно разделить на две подгруппы:

Выбор стратегии управления

Нагрузка подключается, как только импульс попадает в затвор двух тиристоров. Как только импульс остановлен, нагрузка автоматически отключается, как только напряжение инвертирует полярность. Поскольку это не наш случай, мы ориентированы на управление фазовым углом. Выбор стратегии управления имеет решающее значение для конечной производительности. Данная стратегия может фактически дать регулятору возможность превосходно управлять резистивными нагрузками, но совершенно бесполезно, если нагрузка представляет индуктивные компоненты.

• импульсные стабилизаторы напряжения /КПД до 90%
• импульсные преобразователи напряжения (блоки питания) /КПД до 80%

Отличительной особенностью импульсных преобразователей является гальваническая развязка входного и выходного напряжений (т.е. в их составе имеется трансформатор), который исключает даже теоретическую возможность попадания входного напряжения на выход при любых неисправностях самого преобразователя.

Чтобы лучше понять проблемы, связанные с этим типом нагрузки, рассмотрим схему выше. Как уже упоминалось, только ворота двух тиристоров поступают на сигнал запуска, один из которых начинает работать, и в цепи генерируется ток. Угол пуска будет обозначаться α. По завершении этого полупериода новый сигнал запуска снова появится после угла α, и цикл повторится. Разность между углом экстинкции и углом триггера будет обозначена буквой δ и будет углом проводимости. В случае индуктивной нагрузки ситуация меняется: предположим тиристор Т1. включается во время положительной полуволны, а затем пропускает весь ток нагрузки.

Современная элементная база и схемотехника позволила создать импульсные преобразователи и стабилизаторы напряжения которые обеспечивают:

1. Долговременный режим работы при максимальном токе нагрузки.
2. Автоматическое регулирование выходной мощности (можно не бояться перегрузок вплоть до короткого замыкания). Система ограничения мощности сама отследит перегрузку и ограничит выходную мощность до безопасного уровня.
3. За счёт высокого КПД обеспечивается нормальный тепловой режим и как следствие высокая надёжность и малые габариты.
4. Мощность потребляемая от аккумулятора лишь на 10-15% больше, чем потребляет нагрузка.
5. Наличие гальванической развязки входного и выходного напряжений в преобразователе (т.е. в его составе имеется трансформатор) исключает даже теоретическую возможность попадания входного напряжения на выход. В стабилизаторе же устанавливается мощный высокоэффективный ограничитель напряжения.
6. Пожалуй, единственным недостатком импульсных устройств это возможные радиопомехи, их уровень зависит от производителя (стоимости) преобразователя. Недорогие преобразователи не рекомендуется применять для питания радиостанций и радиоприёмников.

Импульсный преобразователь напряжения

Для трансформации напряжения из одного уровня в другой применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения , в работе которых используются индуктивные накопители. В таких конверторах мощность на выходе регулируются благодаря изменениям временного промежутка воздействия на нагрузку одним из двух способов:

Из-за наличия индуктивного компонента Т1 он не будет прерван прохождением напряжения до нуля, после чего напряжение примет отрицательное значение. Вместо этого он перейдет в состояние «Выключено», когда ток, проходящий через него, будет отменен, а осциллограммы будут показаны на рисунке внизу справа. Этот факт включает в себя асимметрию осциллограммы плюс значение напряжения, которое не является желательным. Этот недостаток преодолевается с помощью управляющая стратегия, которая возбуждает затвор тиристоров с длительным импульсом. это имеет наименьший недостаток: на самом деле непрерывные сигналы затвора приводят к более высоким потерям и требуют более высокого тока.

Частотно-импульсным;

Широтно-импульсным.

Принцип действия импульсного повышающего преобразователя напряжения состоит в создании такого режима транзистора, во время которого вся цепь подачи мощности в нагрузку будет периодически прерываться. Таким образом, импульсный преобразователь 24 12 позволяет упорядочить колебания продолжительности выходящих импульсов при их неизменяющемся периоде изменения. Однотактный импульсный преобразователь напряжения может работать в диапазоне мощностей от 0 до 100 Вт. Если же требуется устройство большей мощности , то применяют многотактный импульсный преобразователь напряжения.

Это очевидно, пилотируя ворота с короткой импульсной поездкой. Затем стратегия становится следующей. Колонка импульсов генерируется вблизи канала питания для нуля. Генерируется вторая импульсная последовательность, и она задерживается на угол, равный α π, для повторного управления воротами.

Максимальный дизайн схемы

Цикл повторяется и после короткой переходной фазы, в течение которой нет идеальной симметрии, операция переходит в систему для обеспечения надлежащей мощности нагрузки. В большинстве приложений диапазон настройки не будет варьироваться от 0% до 100%, но будет начинаться с более высокого значения, например 30%; это касается потребностей пользователя, а также ограничений, налагаемых пользовательской схемой. Первый будет использоваться для регулировки угла α и, следовательно, эффективного значения , в то время как второй отрегулирует минимальный порог.

Понижение напряжения постоянного тока . Как работает понижающий преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по проектированию (10+)

Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет

Для понижения постоянного напряжения с минимальными потерями и получения стабилизированного выхода применяется следующий подход. Постоянное напряжение преобразуется в импульсы переменной скважности. Далее эти импульсы пропускаются через катушку индуктивности. Энергия накапливается на накопительном конденсаторе. Обратная связь следит за стабильностью выходного напряжения и для этого регулирует скважность импульсов.

Он будет откалиброван для первого использования в соответствии с нагрузкой, которую он будет подавать. На рисунке ниже показана схема разрядки конденсатора, которая направлена ​​на сброс остаточного заряда, накопленного в конденсаторе в конце каждой половины напряжения питания.

Прямоходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора

На рисунке ниже показана работа этой схемы; когда напряжение проходит через 0, оставшийся заряд в конденсаторе напрямую поляризует два диода за раз, создавая схему, которая через два резистора разряжает остаточное напряжение. Схема имеет собственный предел из-за порогового напряжения двух диодов: когда напряжение падает до 4 В, они прерываются. Таким образом, оказывается, что всегда будет минимальное напряжение.

Если нет потребности в снижении потерь, то применяется последовательный стабилизатор непрерывного действия.

Принцип работы понижающего преобразователя напряжения основан на свойстве катушки индуктивности (дросселя) накапливать энергию. Накопление энергии проявляется в том, что сила тока через катушку индуктивности как бы имеет инерцию. То есть она не может измениться моментально. Если к катушке приложить напряжение, то сила тока будет постепенно нарастать, если приложить обратное напряжение, то сила тока будет постепенно убывать.

В любом случае, цепь защиты от сверхтока была установлена ​​для защиты контроллера, когда дело доходит до работы в стрессовых ситуациях. Целью этой схемы является прерывание питания источника питания регулятора, тем самым защищая его от повреждения и чрезмерного напряжения, Для облегчения теплового рассеивания также были установлены вентилятор и радиатор. Схема разделена на две части: первая - адаптировать напряжение сети 230 В, чередующееся с 12 непрерывными напряжениями, необходимыми для питания реле, вентилятора и измерительной цепи.

Вентилятор и вторая часть системы защиты подключены к выходу. Термистор изменяет свою устойчивость к изменению температуры, тогда как триммер первоначально откалиброван в зависимости от температуры, которая считается критичной для оборудования. В конечном счете, последняя схема показана здесь сбоку. Можно утверждать, что, таким образом, можно регулировать угол между π и 2π и, таким образом, получать асимметричную форму волны. Для трансформатора максимальный ток, поглощаемый цепями с напряжением 12 В, оценивается в 215 мА.

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

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

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

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

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

Особенности:

Универсальный режима преобразования;

Плавная регулировка выходного напряжения от 10 до 15В;

Защита от переполюсовки входного напряжения;

Световая индикация наличия выходного напряжения.

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

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

Особенности:

Импульсный режим с частотой преобразования 150 кГц;

Защита по току (превышение мощности);

Высокий КПД;

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

Особенности:

Стабильное выходное напряжение при плавающем входном напряжении;

Частота преобразования 150 кГц;

Плавный пуск;

Ограничение выходного тока;

Защита от перегрева;

Высокий КПД;

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

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения;

Широкий диапазон установки выходного напряжения;

Настройка ограничения по току;

Высокий КПД;

Компактные размеры;

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

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения;

Широкий диапазон установки выходного напряжения;

Настраиваемая защита по току;

Точность индикации напряжения 0,1 вольта;

Точность индикации тока 0,01 мА;

Индикатор красного свечения;

Высокий КПД;

Компактные размеры;

Широкий диапазон рабочей температуры.

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

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

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения;

Широкий диапазон установки выходного напряжения;

Два режима работы повышение/понижение выбирается автоматически модулем;

Плавный пуск;

Высокий КПД;

Компактные размеры;

Широкий диапазон рабочей температуры.

Регулируемый преобразователь напряжения с встроенным вольтметром.

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

Высокоэффективный импульсный источник питания, обладающий малыми габаритами.

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

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

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

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

Сводная таблица преобразователей постоянного напряжения Мастер Кит

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

Определение устройства

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

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

Назначение преобразователя

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

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

Конструкция прибора

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

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

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

Особенности эксплуатационных процессов

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

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

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

Сравнение с линейным преобразователем

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

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

Преобразователь DC/DC

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

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

Повышающий преобразователь

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

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

Понижающий импульсный преобразователь

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

Широтно-импульсный преобразователь

В процессе работы используется устройство, накапливающее энергию в результате трансформации. Оно может входить в базовую структуру или же подключаться напрямую к входному напряжению без привязки к преобразователю. Так или иначе, на выходе будет усредненный показатель напряжения, определяемый значением входного напряжения и скважностью импульсов от коммутационного ключа. На операционном усилителе находится специальный вычислитель, который оценивает параметры входного и выходного сигналов, регистрируя разность между ними. Если напряжение на выходе меньше опорного, то к регуляции подключается модулятор, повышающий длительность открытого состояния коммутационного ключа относительно времени действия тактового генератора. По мере изменения входного напряжения импульсный преобразователь корректирует схему управления ключом так, чтобы разность между выходным и опорным показателями напряжения сводилась к минимуму.

Заключение

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

Для преобразования напряжения одного уровня в напря­жение другого уровня часто применяют импульсные преобразо­ватели напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются вьюоким 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. 4.1), повышающие (рис. 4.2) и инверти­рующие (рис. 4.3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивно­сти, дроссель), блокировочный диод и конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях по­зволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразо­вателей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобра­зователя осуществляется изменением ширины импульсов, уп­равляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии.

Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий преобразователь (рис. 4.1) 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. 4.1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения

Рис. 4.2. Принцип действия повышающего 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 R^. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 4.2) 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 с параллельно подключенным конден­сатором фильтра С1 . Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

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.

Рис. 4.3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содер­жит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 4.3): к источнику питания подключена последо­вательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки R^ с конденсатором фильтра С1 . Ин­дуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соедине­ния коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

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 Rh 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).

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 импульснью стабилизаторы и со сме­шанным регулированием.

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

Задающий генератор (рис. 4.4) импульсных преобразовате­лей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 4.5, 4.6) 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%. Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мБ и зависит от величины емкости

Рис. 4.4. Схема задающего генератора для импульсных преобра­зователей напряжения

Рис. 4.5. Схема силовой части повышающего импульсного пре­образователя напряжения +5/12 В

Рис. 4.6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В

конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагруз­ки устройств (рис. 4.5, 4.6) составляет 140 мА .

В выпрямителе преобразователя (рис. 4.5, 4.6) 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. 4.6) 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.

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. 4.7).

Рис. 4.7. Схема преобразователя напряжения с задающим гене­ратором на основе несимметричного мультивибратора

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напря­жений 1,0… 1,5 S и имеет КПД до 75%.

В схеме можно применить стандартный дроссель 725 или иной с индуктивностью 120…200м/сГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 4.8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы ГГЛ-уровня (5 Б) на выходе преобразователя при его питании от источника напря­жением 12 Б получено напряжение 250 Б 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. 4.8. Вариант выполнения выходного каскада преобразова-

Рис. 4.9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 4.9) позволила при питании от источника напряжением 28 Б и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 Б при токе нагрузки 5 мА . Индуктивность дросселя - 600 мкГн. Частота управ­ляющих импульсов - 1 кГц.

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

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. 4.10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9 Б и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 Б. Следует отметить, что величина выходного напряже­ние не гарантирована - она существенно зависит от способа вы­полнения катушки индуктивности (дросселя) L1. Для получения

Рис. 4.10. Схема преобразователя напряжения с генератором им­пульсов на микросхеме КР1006ВИ1

Рис. 4.11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом

нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Для питания многих электронных устройств требуется ис­точник двухполярного напряжения, обеспечивающий положитель­ное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 4.11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктив­ного преобразователя .

Схема преобразователя (рис. 4.11) 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. 4.11, справа) показа­но формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения (рис. 4.12) позволяет полу­чить на выходе стабилизированное напряжение 30 В . Напря­жение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

Рис. 4.12. 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 , позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 4.13.

Рис. 4.13. 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.

Два варианта - понижающего и инвертирующего преобра­зователей напряжения показаны на рис. 4.14. 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 VT3 должен быть установлен на радиатор.

Аналоги транзисторов: 2N2222-KT3117A; 2N4903-KT814.

Понижающий стабилизированный преобразователь напря­жения, использующий в качестве задающего генератора микро­схему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту по току нагрузки, показан на рис. 4.15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА. При изменении сопротивления нагрузки

Рис. 4.14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения

Рис. 4.15. Схема понижающего преобразователя напряжения

на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не бо­лее чем на 0,5%.

Аналоги транзисторов: 2N1613 - КТ630Г, 2N2905 - КТ3107Е, КТ814.

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих опера­ционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор на­пряжения, схема которого показана на рис. 4.16 .

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямля­ется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра СЗ и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения - регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

Рис. 4.16. 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.

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. 4.17 приведена схема повышающего преобразовате­ля напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5 . Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, 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. 4.17. Схема повышающего преобразователя напряжения на

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при вход­ном напряжении 12 Б и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мБ.

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 10ОО.

Пример выполнения понижающего преобразователя на мик­росхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 4.18 . На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 Б. Часто­та работы преобразователя - 30 кГц при Ubx=15 Б. Размах пуль­саций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 - 50 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГн намотан аналогич­ным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке микросхеме КР1156ЕУ5

Рис. 4.18. Схема понижающего преобразователя напряжения на микросхеме КР115вЕУ5

Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР115вЕУ5 был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 4.19) 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 В; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ 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. 4.17 - 4.19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 4.20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5.. .5 В) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 В) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА) .

Рис. 4.20. 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 вьюокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 4.20) 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 Л на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выход­ных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 В) 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 Б.

Рис. 4.21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В

Схема преобразователя, показанная на рис. 4.21, 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. 4.21), вы­ходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 Б, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напря­жение понизится до 3,3±0,15 Б. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 Б и 3,44±0,29 Б, соответственно. Мак­симальный выходной ток преобразователя - 100 мА. Микросхе­ма МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5 В и 300 мА при напряжении 3,3 Б. 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 Б), хотя сам преобразо­ватель способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 Б 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 мкГн. 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 мкГн.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 - кера­мические (для снижения уровня вьюокочастотных помех), VD1 - диод Шотки (1N5818, 1N5819, SR106, SR160 и др.).

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 4.22) при входном напряжении 220 Б обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 Б при мощности нагрузки 2 Вт .

Бестрансформаторный источник питания (рис. 4.23) предна­значен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 Б . Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9 Б и токе нагрузки 50 мА источник пи­тания потребляет от сети около 8 мА.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 - VD4 (рис. 4.23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время

Рис. 4.22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips»

Рис. 4.23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения

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, СЗ. При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор СЗ большой ем­кости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на СЗ - увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и СЗ не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запа­сенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора СЗ через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора СЗ 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 подстроенный сердечник 002,8×12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в ши­роких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Рис. 4.24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 4.24 и 4.25 . Они представляют собой понижающие пре­образователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизирова­но. В качестве динисторов VD4 можно использовать отечествен­ные низковольтные аналоги - КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 4.23), источники питания (рис. 4.24 и 4.25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.

В преобразователе напряжения С. Ф. Оиколенко с «им­пульсным накоплением энергии» (рис. 4.26) ключи К1 и К2 выпол­нены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) - на микросхеме серии К564 . Накопительный конденсатор С1 -

Рис. 4.25. Вариант схемы понижающего преобразователя напря­жения с сетевым бестрансформаторным питанием

Рис. 4.26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением

Рис. 4.27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко

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 МО/7-структур типа RFLIN20L

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.

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. 4.27) отличаются высокой эффективностью.

Широко распространённые в повседневной практике преобразователи напряжения – это специализированные устройства, предназначенные для корректировки размаха и частоты выходного питающего напряжения. Электронные системы этого типа позволяют регулировать выходные параметры (включая частоту выходного напряжения).

Необходимость в их применении возникает в том случае, когда приходится подключать устройства с нестандартными входными характеристиками. Преобразовательные схемы могут выполняться в виде самостоятельного блока либо интегрироваться в действующую систему бесперебойного питания. Эти приборы пользуются повышенным пользовательским спросом, а также широко применяются для решения отдельных производственных задач.

Конструкция

Для изменения уровня действующего напряжения питания чаще всего применяются специализированные импульсные преобразователи со встроенными в них индуктивными схемами. В соответствии со стоящей перед ними задачей, все известные модели преобразовательных устройств делятся на следующие классы:

• Инвертирующие схемы;
• Повышающие электронные агрегаты;
• Понижающие преобразователи.

Независимо от вида этих устройств, все они работают по одному и тому же принципу, обеспечивая требуемую функциональность и качество формируемых сигналов. Одинаковость устройств этого класса чаще всего выявляется по следующим характерным признакам:

• Наличие собственного модуля питания;
• Входящие в состав схемы элементы коммутации, представленные мощными полупроводниковыми транзисторами;
• Накопители энергии в виде отдельного дросселя или катушки;
• Фильтрующие конденсаторы, подключаемые в параллель нагрузочному сопротивлению;
• Специальные диоды, используемые в качестве блокирующего элемента.

Применение всех перечисленных выше элементов в нужных сочетаниях предоставляет возможность получения любой из известных категорий импульсных устройств.

Принцип действия

В основу работы импульсных преобразователей заложен принцип регулировки уровня сигнала путём изменения ширины импульсов, управляющих работой коммутирующего элемента.

Обратите внимание! Этот метод электронного управления параметрами сигнала встречается в различных образцах современной аппаратуры и называется широтно-импульсным.

Для стабилизации режима работы в электрическую схему вводится обратная связь, за счёт которой при колебаниях выходного напряжения параметры рабочих импульсов также меняются.

Простейшие преобразователи напряжения содержат в своей основе обычный трансформатор, на выходе которого формируется напряжение с амплитудой, отличной от входного значения.

Известны иные типы преобразовательных устройств, работающих по принципу, схожему с уже описанными ранее образцами, но несколько отличающихся по своей конструкции. Они, как правило, выполняются на основе полупроводников и позволяют получить высокие показатели эффективности преобразования (большой КПД).

Классификация импульсных преобразователей

Выпускаемые отечественной промышленностью импульсные преобразователи, в соответствии с токовыми параметрами, подразделяются на следующие классы:

• Электронные конверторы, обеспечивающие преобразование переменного уровня (АС) в постоянный выходной сигнал (DC). Они рассчитаны для промышленного применения и используются в системах, где требуются пониженные значения питающего напряжения 380/220 Вольт;
• Инверторы, выполняющие обратное преобразование: входной (DC) сигнал в выходной (АС). Эти устройства востребованы в системах бесперебойного питания, а также в электронных сварочных агрегатах, в которых в результате инвертирования удаётся уменьшить габариты и вес прибора;
• Конверторные устройства постоянного напряжения или тока, позволяющие преобразовывать одну величину питающего параметра в другую.

Эти устройства нередко используются для организации питания аккумуляторных батарей при необходимости подключать к ним нагрузки с различными номиналами напряжений.

Состав преобразователя

В состав конструкции импульсных устройств обычно входят следующие функциональные узлы:

• Встроенный генератор импульсного сигнала, работающий от собственного блока питания (БП);
• Импульсный трансформатор, преобразующий сигналы заданной периодичности в выходные импульсы более высокой частоты;
• Встроенные стабилизаторы, обеспечивающие постоянство параметров сигналов, получаемых на выходе устройств;
• Электронные коммутаторы на мощных транзисторных элементах, работающие в импульсном режиме, близком к состоянию насыщения.

К этому перечню следует добавить накопительные индуктивности, используемые при построении генераторных схем. Они обычно входят в состав таких широко распространённых устройств, как преобразователь тока.

Типичным представителем комплектующих элементов является трансформатор, обеспечивающий преобразование напряжения с минимальными потерями мощности. Они широко применяются при построении самых разнообразных радиоэлектронных и электротехнических схем.

Достоинства и недостатки преобразовательных устройств

К числу достоинств большинства известных моделей преобразующих устройств относятся:

• Высокая эффективность преобразования стандартных сетевых напряжений в удобный для пользователя вид с одновременным контролем их основных параметров;
• Компактность и мобильность отдельных образцов инверторных аппаратов, допускающая применение их в качестве автомобильных преобразователей;
• Хорошие показатели экономичности с КПД, приближающимся к 90%;
• Универсальность и надёжность преобразовательных устройств, обеспечивающая возможность подключения любых видов потребителей;
• Возможность компенсации потерь электроэнергии за счёт повышения выходного напряжения.

Важно! Перечисленные преимущества преобразующих приборов позволяют устанавливать их в наиболее ответственных узлах охранных и осветительных систем, а также в модулях управления работой котлов отопления, насосных станций и другого специального оборудования.

К достоинствам этих устройств также следует отнести наличие таких дополнительных опций, как возможность переключения индикаторов измеряемых величин с входного на выходное напряжение. Добавим к этому допустимость подстройки в определённых пределах контролируемых выходных параметров.

К вполне устранимым недостаткам преобразователей данного класса следует отнести чувствительность к эксплуатации в условиях повышенной влажности (это не касается моделей, выпускаемых во влагозащитном исполнении). Добавим к этому высокую стоимость преобразующих систем.

Применение преобразователей в быту

Универсальные модели относятся к категории наиболее сложных устройств, которые способны регулировать несколько параметров (ток, напряжение и частоту) сразу. Но в повседневной практике вполне хватает более простых образцов преобразователей, в которых регулируется только один из входных показателей.

Дополнительная информация. Схема управления напряжением и током, осуществляемого с целью ограничения одного из этих параметров (обычно тока), широко применяется в схемах зарядки аккумуляторов. В более сложных устройствах этого класса могут использоваться современные микроконтроллеры.

В заключение обзора необходимо отметить, что существует множество вариантов исполнения импульсных преобразовательных модулей. Но, независимо от типа и сложности электронного устройства, лежащие в его основе принципы функционирования не меняются. Усвоив основные технические приёмы построения этих приборов, можно научиться обращаться с оборудованием любой сложности, а также успешно ремонтировать его в случае поломки.

Видео