тест преобразователя на конденсаторах, обзор схемы и характеристик стабилизатора с RU7088R

Для чего он нужен с такими параметрами? В принципе можно и обойтись без него, повышающий трансформатор и диодный мост могут заменить этот прибор запросто. Но небольшие габариты и возможность регулировки выходного напряжения делают этот девайс достойным того, чтобы обратить на него внимание. Утилитарное предназначение с сайта продавца:
1. Зарядка конденсаторов питания электромагнитных пушек.
2. Питание электронных устройств.
3. Испытания высоким напряжением
4. Борьба с хомяками
В данном обзоре я рассмотрю его применение в тестах китайских безродных электролитических конденсаторов.

Габариты: 60х50х22
Вес: 55 грамм
Сборка-пайка на четверочку, флюс кое-где не отмыт.


Силовой Переключающий элемент — RU7088R — MOSFET, 70V, 80A
Остальные микросхемы с заботливо потертыми производителем маркировками.

Вход защищен от переплюсовки автомобильным предохранителем на 10А.
Выходная мощность 40 Ватт (Пиковая 70 Ватт)
Максимальный ток 0,2 А
Ток покоя: 15 мА
Рабочая частота: 75 кГц
Алгоритм работы: Подаем на вход 8-32 В DC, подстроечным резистором выставляем требуемое напряжение на выходе. (изменение входного напряжения в заданном диапазоне не влияет на выходное!)
По факту при 8 вольтах преобразователь работает нестабильно. При 10 В нестабильно работает под нагрузкой. Нормально работает от 12 В и выше.
Выход Мин и Макс:


Перед тем, как перейти к экспериментам, напоминаю — на разных частях платы присутствует высокое напряжение, которое опасно для ваших любимых дорогостоящих приборов!

Купил я как-то парочку конденсаторов на Алиэкспресс и написал про них обзор: Алюминиевый электролитический конденсатор 2200 мкФ 450 В Hitachi или «Hitachi»
Кому лень ходить по ссылкам: при низковольтных измерениях – отличные конденсаторы. Но аборигены mysku.club методом запугивания убедили меня, что вряд ли они будут работать при высоком напряжении, и красивый взрыв с эффектно разлетающимися конфетти из фольги неизбежен. Я переложил на всякий случай конденсаторы из ящика стола в сейф для хранения оружия и запретил к нему подходить всем, кроме тещи.


Собрал вот такой стенд на лоджии (благо там сейчас ремонт):

Для пущего эффекта разложил все равномерно вокруг конденсатора. Подключил и токоизмерительные клещи, и термопару примотал изолентой к корпусу- я же серьезный исследователь. Камеру засунул в аквабокс.

Подготовка

Экипировался в хоккейную ракушку, маску сварщика, в бандану из противопожарной кошмы (защитил все круглое), примотал к рукам палки для скандинавской ходьбы – манипуляторы, кнопки нажимать. Позвонил в МЧС: «Не спите». «Нет, не спим», — ответили в МЧС. «Это, вообще-то, не вопрос был, а пожелание.»
Все вроде бы готово. Обратил внимание, что ветер стих, смолкли птицы, перестал плакать маленький ребенок за стеной, только несмазанные детские качели внизу заунывно скрипели потревоженные чьей-то беспечной рукой… Хотел перекреститься, но куда-там, чертовы палки…

Включил, наблюдал в щелочку, напряжение росло. На электродах конденсатора, у меня-то нервы железные. За несколько секунд напряжение достигло максимума в 394 В, температура на корпусе электролита не менялась в течении 10 минут. Т. е. конденсатор прошел тест на живучесть. Порадовался, но чувство легкого разочарования осталось…

После выключения питания конденсатор довольно долго разряжается. Ускорение этого процесса с помощью металлического предмета приводит к вспышке, хлопку и порче металлического предмета.
Если не удалось использовать китайский электролит в качестве китайской петарды, придется его использовать по прямому назначению.
Что можно и нужно измерить? Правильно – ток утечки при заданном напряжении. У меня максимально возможное 394 В, на нем и будем мерить.

У идеального конденсатора ток утечки стремится к нулю. В реальности все не так, поэтому смотрим в таблицу и выбираем оттуда значение, которое ток не должен превышать. Для моего конденсатора 2200 мкФ на 394 вольтах не более 5,5 мА.
Схема подключения приборов при измерении:

Методика измерения — замыкаете накоротко амперметр, полностью заряжаете конденсатор, контролируя напряжение вольтметром. После полного заряда размыкаете амперметр – он показывает ток утечки. Если уверенны в своем амперметре, то можете его входы не замыкать, тогда еще и ток заряда посмотрите.


Для испытуемого конденсатора ток утечки в норме. От этого он не стал японским, но его смело можно использовать.
Выводы:
Не знаю, годен ли обозреваемый в качестве источника питания, пульсации я осциллографом не смотрел, но заряжать конденсаторы, пытать шпионов и убивать хомяков данным устройством можно.

Плюсы:
+ работает
+ приличный изменяемый диапазон выходного напряжения
+ есть возможность выбора входного напряжения
Минусы:
— можно предъявить претензии к качеству пайки и отмывки платы. Не критично, но все же.
Если нужен источник высокого напряжения, можно брать.

Повышающие преобразователи постоянного тока. — Компоненты и технологии

Для получения высокого напряжения в системах с питанием от батарей или аккумуляторов используют последовательное включение нескольких питающих элементов. Однако из-за ограничений, накладываемых на габариты устройств, это не всегда возможно.

Выход — в использовании повышающих импульсных преобразователей постоянного тока. Принцип их действия основан на применении магнитного поля катушки индуктивности для поочередного запасания энергии и передачи ее в нагрузку с другим уровнем напряжения. Благодаря малым потерям они хорошо подходят для задач, где требуется высокий КПД. Для снижения пульсаций выходного напряжения к выходу преобразователя подключаются конденсаторы. Повышающие импульсные преобразователи, обсуждаемые в этой статье, используются для получения более высокого напряжения, в то время как понижающие импульсные преобразователи, обсуждавшиеся в предыдущей статье [1], нужны для получения более низкого напряжения.

Напомним, импульсные преобразователи, имеющие внутренние ключи на полевых транзисторах, называются регуляторами, а устройства, для которых необходимы внешние полевые транзисторы, — контроллерами импульсных преобразователей.

Повышение напряжения становится возможным благодаря свойству катушки индуктивности противостоять изменениям тока. В процессе заряда катушка индуктивности играет роль нагрузки и запасает энергию, а в процессе разряда она играет роль источника энергии. Напряжение в фазе разряда зависит от скорости изменения тока, а не от исходного заряжающего напряжения. Это позволяет получить выходное напряжение, отличное от напряжения на входе.

Повышающий регулятор, упрощенная схема которого приведена на рис. 1, состоит из двух ключей, двух конденсаторов и катушки индуктивности.

Рис. 1. Схема повышающего преобразователя, отражающая две основные фазы его работы

Во избежание нежелательного «сквозного тока» управление ключами осуществляется таким образом, что только один из них активен в отдельно взятый момент времени.

В фазе 1 (t_ON) ключ В разомкнут, а ключ А замкнут. Катушка индуктивности подключена к «земле», и ток протекает от V_IN на «землю». Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет положительную полярность, ток возрастает, и в катушке индуктивности запасается энергия. В фазе 2 (t_OFF) ключ А разомкнут, а ключ В замкнут. Катушка индуктивности подключена к нагрузке, и ток протекает от V_IN в нагрузку. Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет отрицательную полярность, ток убывает, и энергия, запасенная в катушке индуктивности, передается в нагрузку. Указанные параметры двухфазового режима работы представлены на рис. 2 в виде временных диаграмм.

Рис. 2. Временные диаграммы работы повышающего преобразователя

Импульсный преобразователь может работать в непрерывном или прерывистом режиме. При работе в непрерывном режиме (continuous conduction mode, ССМ) ток через катушку индуктивности никогда не падает до нуля. При работе в прерывистом режиме (discontinuous conduction mode, DCM) ток через катушку индуктивности может падать до нуля. Уровень пульсаций тока, обозначенный на рис. 2 как ΔI_L, определяется по формуле ΔI_L = (V_IN×t_ON)/L. В нагрузку попадает постоянный ток, равный среднему значению тока через катушку индуктивности, а ток пульсаций протекает через выходной конденсатор.

Схема повышающего импульсного преобразователя включает в себя генератор, контур управления с ШИМ и коммутируемые полевые транзисторы (рис. 3).

Рис. 3. Схема повышающего импульсного преобразователя

Преобразователи, в которых в качестве ключа В используется диод Шоттки, называются асинхронными, а преобразователи, в которых в качестве ключа В используется полевой транзистор, — синхронными. В схеме на рис. 3 ключи А и В реализованы с помощью внутреннего полевого транзистора с каналом N-типа и внешнего диода Шоттки соответственно, и, таким образом, она представляет собой асинхронный повышающий импульсный регулятор. В системах с пониженным энергопотреблением, в которых требуются изоляция нагрузки и малый ток в неактивном состоянии, можно добавить внешние полевые транзисторы, как показано на рис. 4. Подача напряжения ниже 0,3 В на вывод EN устройства отключает преобразователь и полностью отсоединяет вход от выхода.

Рис. 4. Типичная схема включения ADP1612/ADP1613

Основным рабочим режимом в современных повышающих синхронных импульсных преобразователях является режим широтно-импульсной модуляции. При этом частота импульсов поддерживается постоянной, а их длительность (t_ON) изменяется для регулировки выходного напряжения. Средняя мощность, выдаваемая в нагрузку, пропорциональна коэффициенту заполнения импульсной последовательности:

Например, при желаемом выходном напряжении 15 В и доступном входном напряжении 5 В:

Вследствие закона сохранения энергии входная мощность равна сумме мощности, выдаваемой в нагрузку, и любых потерь. Ввиду высокой эффективности преобразования небольшими потерями при вычислении мощности можно пренебречь. Таким образом, входной ток можно аппроксимировать выражением:

Так, например, если ток нагрузки равен 300 мА при выходном напряжении 15 В, то I_IN = 900 мА при входном напряжении 5 В, то есть примерно в три раза больше выходного тока. Таким образом, с ростом выходного напряжения доступный ток нагрузки убывает.

Для стабилизации выходного напряжения в повышающих преобразователях используется обратная связь по напряжению или по току. Управляющий контур позволяет поддерживать уровень выходного напряжения при изменении нагрузки. Повышающие импульсные преобразователи для систем с малым энергопотреблением обычно работают с частотой импульсов в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц. Работа на высокой частоте коммутации позволяет использовать катушки индуктивности меньших габаритов, однако при каждом удвоении частоты КПД падает примерно на 2%. В повышающих импульсных преобразователях ADP1612 и ADP1613 частоту коммутации можно выбрать при помощи вывода FREQ. При подключении вывода FREQ к «земле» устанавливается частота 650 кГц, при которой достигается максимальный КПД, а при подключении вывода FREQ к V_IN устанавливается частота 1,3 МГц, позволяющая уменьшить габариты внешних компонентов.

Катушка индуктивности, являющаяся ключевым компонентом повышающего импульсного преобразователя, запасает энергию в интервале t_ON и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в интервале t_OFF. Для достижения компромисса между малым уровнем пульсаций тока через катушку индуктивности и высоким КПД в техническом описании ADP1612/ADP1613 рекомендуется использовать катушки индуктивности с номиналом от 4,7 до 22 мкГн. В общем случае, при одинаковых размерах, катушка с малой индуктивностью обладает бóльшим током насыщения и меньшим последовательным сопротивлением, однако при этом она также имеет больший пиковый ток, что может приводить к снижению КПД, повышенным пульсациям и росту шума. Для уменьшения габаритов катушки индуктивности и повышения стабильности лучше использовать повышающий импульсный преобразователь, работающий в прерывистом режиме. Пиковый ток через катушку индуктивности (максимальный входной ток плюс половина тока пульсаций) должен быть ниже номинального тока насыщения катушки, а максимальный постоянный входной ток должен быть ниже предельного рабочего среднеквадратического тока катушки индуктивности.

Ключевые спецификации и определения повышающего импульсного преобразователя

Диапазон входных напряжений

Диапазон входных напряжений повышающего импульсного преобразователя определяет наименьшее полезное входное напряжение питания.

Ток по цепи заземления (рабочий ток)

I_Q — это постоянный ток смещения, не поступающий в нагрузку. Устройства с малым значением I_Q дают больший КПД. Параметр I_Q может быть указан в спецификации для различных условий работы.

Ток в неактивном режиме

Это входной ток, потребляемый при неактивном уровне сигнала на выводе разрешения. Малое значение этого тока важно для поддержания долговременной работы в режиме ожидания, когда устройство находится в «спящем» режиме.

Коэффициент заполнения импульсной последовательности

Рабочий коэффициент заполнения импульсной последовательности должен быть меньше максимального коэффициента заполнения импульсной последовательности; в противном случае стабилизация выходного напряжения поддерживаться не будет. Так, например при V_IN = 5 В и V_OUT = 15 В, D = (V_OUT –V_IN)/V_OUT = 67%. Максимальный коэффициент заполнения импульсной последовательности у ADP1612 и ADP1613 составляет 90%.

Диапазон выходных напряжений

Точнее — диапазон поддерживаемых выходных напряжений. Выходное напряжение повышающего импульсного преобразователя может быть фиксированным или регулируемым. Во втором случае для задания желаемого выходного напряжения используются внешние резисторы.

Предельный ток

В спецификациях на повышающие импульсные преобразователи обычно указывается предельный пиковый ток, а не ток нагрузки. Обратите внимание на то, что чем больше разница между V_IN и V_OUT, тем меньше доступный ток нагрузки. Максимальный доступный выходной ток определяется пиковым предельным током, входным напряжением, выходным напряжением, значением частоты коммутации и номиналом катушки индуктивности.

Стабилизация по входному напряжению

Стабилизация по входному напряжению — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением входного напряжения.

Стабилизация по току нагрузки

Стабилизация по току нагрузки — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением выходного тока.

Мягкий запуск

Важно, чтобы повышающие импульсные преобразователи имели функцию мягкого запуска, которая бы обеспечивала контролируемое линейное нарастание выходного напряжения во избежание чрезмерных выбросов выходного напряжения. Интервал мягкого запуска некоторых повышающих импульсных преобразователей можно регулировать при помощи внешнего конденсатора. Когда конденсатор мягкого запуска заряжается, он ограничивает пиковый ток. Регулируемый мягкий запуск позволяет изменять время запуска в соответствии с требованиями системы.

Отключение при перегреве (Thermal Shutdown, TSD)

Если температура полупроводникового перехода становится выше определенного предельного значения, схема отключения при перегреве отключает преобразователь. Повышенная температура полупроводниковых переходов может быть следствием работы при повышенном токе, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Схема защиты от перегрева имеет гистерезис, который предотвращает возврат схемы в нормальный рабочий режим до тех пор, пока температура кристалла не станет ниже предустановленного значения.

Блокировка при пониженном напряжении (Undervoltage lockout, UVLO)

Если входное напряжение становится ниже порогового значения, то микросхема автоматически отключает ключ цепи питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает возможное ошибочное поведение при низких входных напряжениях и включение мощного устройства в условиях, когда невозможно обеспечение его нормальной работы.

Заключение

ИМС повышающих импульсных преобразователей для схем с пониженным энергопотреблением избавляют разработчиков от ряда проблем при проектировании преобразователей постоянного тока, позволяя использовать апробированные решения. Примеры расчета параметров проекта и номиналов компонентов даются в разделе технического описания ИМС, посвященном ее практическому применению. Еще больше упростить задачу проектирования позволяет инструмент проектирования ADIsimPower [4]. Дополнительную информацию можно получить, связавшись с инженерами по применению компании Analog Devices или посетив технический форум компании EngineerZone по ссылке http://ez.analog.com. Руководства по выбору повышающих импульсных преобразователей компании Analog Devices, технические описания и статьи по применению можно найти на http://www.analog.com/power.

Литература

1. Мараско К. Эффективное применение понижающих преобразователей постоянного тока производства компании Analog Devices // Компоненты и технологии. 2011. № 10.
2. http://www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html
3. http://www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index. html
4. http://designtools.analog.com/drPowerWeb/dtPowerMain.aspx
5. Marasco K. How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully. Analog Dialogue. 2009. Vol. 43. № 3.

Описание 4-х схем преобразователя Easy Boost

Вы здесь: Главная / Мини-проекты / Описание 4-х схем преобразователя Easy Boost Четыре простых повышающих преобразователя В этом посте объясняются схемы, которые можно построить и использовать для преобразования входного напряжения постоянного тока низкого уровня в выходное напряжение постоянного тока более высокого уровня.

Что такое повышающий преобразователь

Схема повышающего преобразователя постоянного тока предназначена для повышения или повышения малых уровней входного напряжения до требуемого более высокого уровня выходного напряжения, отсюда и название «повышающий» преобразователь. Поскольку эти схемы в основном повышают низкое напряжение до более высоких уровней напряжения, они также известны как повышающие преобразователи.

Хотя схема повышающего преобразователя может включать множество сложных этапов и вычислений, здесь мы увидим, как ее можно построить с использованием минимального количества компонентов и с эффективными результатами.

По сути, повышающий преобразователь работает за счет колебательного тока через катушку или индуктор, при этом напряжение, индуцируемое в индукторе, преобразуется в повышенное напряжение, величина которого зависит от числа витков и ШИМ частоты колебаний.

Основной принцип работы повышающего преобразователя

Ссылаясь на рисунок выше, основной принцип работы топологии повышающего преобразователя можно понять из следующих пунктов:

Когда переключатель S включен, напряжение катушки UL становится равным входному напряжению и току через катушка начинает увеличиваться линейно.

Затем, если переключатель S находится в положении OFF, катушка обеспечивает протекание через нее тока независимо от того, насколько повышается выходное напряжение. Ток в этот момент протекает через диод D.

В этой ситуации напряжение катушки UL отрицательное, а выходное напряжение выше входного. В результате ток, протекающий через катушку, линейно уменьшается. В этот период катушка подает на выход повышенное повышенное напряжение.

После этого, если снова включить переключатель S, процесс повторяется. Вышеописанный процесс повторяется непрерывно до тех пор, пока переключатель S повторно включается/выключается. Это приводит к тому, что на выходе постоянно подается повышенное напряжение. Сглаживающий конденсатор гарантирует, что повышенное напряжение правильно отфильтровано и является чистым постоянным током.

---

Вам также может понравиться: Сделайте этот повышающий преобразователь 1,5 В в 3,6 В для светодиодных фонарей

---

1) Схема простого повышающего преобразователя 5 В в 12 В

Поправка: L1 = 330 мГн

В Первая концепция, как показано на рисунке выше, входное напряжение постоянного тока может быть где угодно между 3 В и 5 В. Мы можем настроить выходное напряжение на 12 В или другое желаемое напряжение, настроив стабилитрон D2.

Таким образом, когда выходное напряжение имеет тенденцию к чрезмерному увеличению, рабочая точка T2 смещается, в результате чего T1 включается на более короткое время (или не включается вообще).

Можно ожидать, что повышенное выходное напряжение составит около 12,6 В при выходном токе 20 мА. Входной ток при входном напряжении 5 В будет около 64 мА.

Это означает КПД 77%, что совсем неплохо для такой простой схемы.

2) Как получить двойное питание +5 В, -5 В от 1,2 В

Если вы ищете схему для повышения напряжения питания NiCd 1,2 В до 5 В, вы можете использовать эту вторую схему ниже. Кроме того, эта схема позволит вам получить двойное питание +5 В и -5 В от входа с одним источником питания 1,2 В постоянного тока.

Список деталей

• Все резисторы на 1/4 Вт 5 %, если не указано иное
• R1, R5 = 1 кОм
• R2, R3 = 100 Ом
• R4 = 2,2 кОм
900 61 Конденсаторы
• С1 = 10 мкФ/ 25 В, электролитический
• C2 = 0,01 мкФ, керамический диск
• C3 = 1 мкФ / 25 В, электролитический
• C4 = 0,1 мкФ, керамический диск
• C5 = 10 мкФ / 25 В, электролитический
• Полупроводники
• D1, D2, D3 = FR107
• D4 = стабилитрон 5,1 В 1/2 Вт
• T1 = 2N2222
• T2 = 2N2907
• Катушка индуктивности
• L1 = 270 мкГн 500 мА

Повышающий преобразователь в основном состоит из T1, L1 и D1. Стабилитрон D4 выполняет функцию обратной связи на базе транзистора Т2 и обеспечивает необходимую стабилизацию схемы.

Максимальный выходной ток этой схемы составляет около 10 мА при +/- 5 В.

Схема обеспечит максимальный КПД 60%, что выглядит не слишком впечатляюще. Однако при входном постоянном напряжении всего 1,2 В вы не можете обойтись без большего.

3) Обратноходовой повышающий преобразователь от 1,5 В до 30 В с использованием одного биполярного транзистора

В третьей схеме повышающего преобразователя, показанной ниже, используется топология обратного хода с похитителем джоулей.

Список деталей

• R1 = 1K 1/4 Вт
• D1 = 1N4148 или диод Шоттки, например FR107 или BA159
• T1 = любая мощность NPN B JT, такие как TIP31, 2N2222, 8050 или BC139 (на радиаторе )
• C1 = 0,0047 мкФ
• C2 = 1000 мкФ/25 В

Катушка индуктивности изготовлена ​​из 20 витков суперэмалированного медного провода на ферритовом тороиде T13. Толщина провода может соответствовать требованию выходного тока.

В приведенной выше конструкции один биполярный транзистор и катушка индуктивности — это все, что нужно для визуализации невероятного повышения напряжения от 1,5 В до 30 В.

Схема работает с использованием концепции похитителя джоулей и использует индуктор в обратноходовом режиме для создания заданного высокоэффективного выходного сигнала.

Использование концепции обратного хода позволяет изолировать две стороны трансформатора и обеспечивает более высокий КПД, поскольку нагрузка может работать во время отключения биполярного транзистора, что, в свою очередь, предотвращает перегрузку биполярного транзистора.

Экспериментируя, я обнаружил, что добавление конденсатора C1 резко улучшило производительность схемы, без этого конденсатора выходной ток не выглядел слишком впечатляющим.

4) Преобразователь 3,7 В в 24 В

Теперь давайте обратимся к нашей четвертой конструкции повышающего преобразователя, которая повышает входное напряжение 3,7 В постоянного тока до 24 В постоянного тока на выходе. Эта простая схема построена с использованием схемы IC 555 для повышения напряжения USB с 5 В до 24 В или любого другого желаемого уровня. Та же конструкция может быть использована для повышения напряжения 3,7 В до 24 В от литий-ионного элемента.

Вышеуказанная схема может регулироваться обратной связью, как показано ниже:

Идея выглядит достаточно просто. IC 555 настроен как нестабильный мультивибратор, частота которого определяется значениями резисторов и конденсатора на выводах № 7 и № 6/2.

Эта частота подается на базу управляющего транзистора TIP31 (неправильно показан как BD31). Транзистор колеблется с той же частотой и заставляет питающий ток колебаться внутри подключенной катушки индуктивности с той же частотой.

Выбранная частота насыщает катушку и повышает напряжение на ней до большей амплитуды, которая составляет около 24 В. Это значение можно настроить еще выше, изменив витки катушки индуктивности и частоту микросхемы.

Ссылки на видео для вышеуказанных схем повышающего преобразователя приведены ниже:

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем/печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными схемами и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете ответить через комментарии, я буду очень рад помочь!

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

Мы все сталкивались с неприятными ситуациями, когда нам нужно немного более высокое напряжение, чем могут обеспечить наши источники питания. Нам нужно 12 вольт, но у нас только 9-вольтовая батарея. Или, может быть, у нас есть питание 3,3 В, когда нашему чипу нужно 5 В. Что тоже, в большинстве случаев текущая ничья вполне приличная.

В конце концов, мы задаем себе вопрос, можно ли преобразовать одно постоянное напряжение в другое ?

К счастью для нас, ответ положительный. Можно преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое, однако эти методы несколько хитры.

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

Окунитесь в мир переключаемых преобразователей постоянного тока !

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

 

Что такое повышающий преобразователь?

Повышающий преобразователь является одним из самых простых типов преобразователя с режимом переключения . Как следует из названия, он принимает входное напряжение и повышает или увеличивает его. Все, из чего он состоит, — это катушка индуктивности, полупроводниковый переключатель (в наши дни это полевой МОП-транзистор, поскольку в наши дни вы можете получить действительно хорошие), диод и конденсатор. Также необходим источник периодической прямоугольной волны. Это может быть что-то такое же простое, как таймер 555 или даже специальная микросхема SMPS, такая как знаменитая микросхема MC34063A.

Как видите, для изготовления повышающего преобразователя требуется всего несколько деталей. Он менее громоздкий, чем трансформатор переменного тока или индуктор.

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 достигать даже 99%! Другими словами, 99 % подводимой энергии преобразуется в полезную выходную энергию, и только 1 % тратится впустую.

 

Как работает повышающий преобразователь?

Пора сделать глубокий вдох, мы собираемся погрузиться в глубины силовой электроники. Сразу скажу, что это очень прибыльная сфера.

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

С этим знанием мы можем пройти через работа повышающего преобразователя шаг за шагом.

 

ШАГ – 1

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

 

ШАГ – 2

Теперь пришло время включить переключатель. Наш источник сигнала становится высоким, включая МОП-транзистор. Весь ток отводится на МОП-транзистор через дроссель. Обратите внимание, что выходной конденсатор остается заряженным, поскольку он не может разряжаться через теперь смещенный назад диод.

Короткое замыкание в источнике питания, конечно же, происходит не сразу, поскольку индуктор заставляет ток нарастать относительно медленно. Кроме того, вокруг катушки индуктивности создается магнитное поле. Обратите внимание на полярность напряжения, подаваемого на катушку индуктивности.

 

ШАГ – 3

МОП-транзистор отключается, и подача тока на катушку индуктивности резко прекращается.

Сама природа катушки индуктивности заключается в поддержании плавного течения тока; он не любит резких изменений тока. Так что не любит резкого отключения тока. Он реагирует на это, генерируя большое напряжение с противоположной полярностью напряжения, первоначально подаваемого на него, используя энергию, хранящуюся в магнитном поле, для поддержания этого тока.

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

Выходной конденсатор теперь заряжен до более высокого напряжения, чем раньше, что означает, что мы успешно повысили низкое постоянное напряжение до более высокого!

Я рекомендую вам еще раз очень медленно пройти все этапы и понять их интуитивно.

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

 

Работа с повышающим преобразователем – тонкости

К настоящему моменту у многих из вас уже есть вопросы по поводу этого чрезмерно упрощенного объяснения. Многое осталось, но это того стоило, чтобы сделать работа повышающего преобразователя абсолютно ясна. Итак, теперь, когда у нас есть это понимание, мы можем перейти к более мелким деталям.

 

1. Осциллятор . Вы не можете постоянно держать выходной переключатель MOSFET во включенном состоянии, идеальных катушек индуктивности нет — у них есть токи насыщения. Если бы мы оставили переключатель MOSFET включенным дольше, чем на несколько сотен микросекунд, питание будет замкнуто накоротко, изоляция индуктора сгорит, MOSFET выйдет из строя и произойдут другие неприятные вещи. Мы используем наши знания о катушках индуктивности для расчета времени, необходимого для достижения ощутимого тока (например, один ампер), а затем соответствующим образом настраиваем время включения генератора. Это приводит к тому, что форма волны тока индуктора выглядит как лезвие пилы, отсюда и название «пила».

 

2. Сам МОП-транзистор. Если внимательно присмотреться, на шаге 3 MOSFET обнаруживает напряжение, которое представляет собой напряжение питания плюс напряжение катушки индуктивности, а это означает, что MOSFET должен быть рассчитан на высокое напряжение, что опять-таки подразумевает довольно высокое сопротивление. Конструкция повышающего преобразователя всегда представляет собой компромисс между напряжением пробоя полевого МОП-транзистора и сопротивлением. Переключающий МОП-транзистор повышающего преобразователя всегда является слабым местом, как я понял из холодного и тяжелого опыта. Максимальное выходное напряжение повышающего преобразователя ограничено не конструкцией, а напряжением пробоя MOSFET.

 

3. Индуктор. Понятно, что любой старый индуктор не подойдет. Катушки индуктивности, используемые в повышающих преобразователях, должны выдерживать высокие токи и иметь сердечник с высокой проницаемостью, чтобы индуктивность для данного размера была высокой.

 

Работа повышающего преобразователя

Существует еще один взгляд на работу 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.

Итак, мы сохраняем некоторую энергию в катушке индуктивности от входа и передаем эту же энергию на выход, но с более высоким напряжением (очевидно, мощность сохраняется). Это происходит много тысяч раз в секунду (в зависимости от частоты генератора), поэтому энергия суммируется в каждом цикле, так что вы получаете хорошую измеримую и полезную выходную энергию, например, 10 Дж в секунду, то есть 10 Вт.

Как показывает уравнение, энергия, накопленная в катушке индуктивности, пропорциональна индуктивности, а также квадрату пикового тока.

Чтобы увеличить выходную мощность, нашей первой мыслью может быть увеличение размера катушки индуктивности. Конечно, это поможет, но не так сильно, как мы думаем! Если мы увеличим индуктивность, максимальный пиковый ток, который может быть достигнут за заданное время, уменьшится или время, необходимое для достижения этого тока, увеличится (вспомните основное уравнение V/L = dI/dt), поэтому общая выходная энергия не увеличится на значительную величину!

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

Итак, мы понимаем, что выбор катушки индуктивности — это 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 хорошо понять, что требует наша нагрузка. Настоятельно рекомендуется (из опыта), что если вы пытаетесь построить повышающий преобразователь в начале, очень важно знать выходное напряжение и ток независимо друг от друга, произведение которых является нашей выходной мощностью.

 

ШАГ – 2

Получив выходную мощность, мы можем разделить ее на входное напряжение (которое также следует определить), чтобы получить требуемый средний входной ток.

Увеличиваем входной ток на 40% для учета пульсаций. Это новое значение является пиковым входным током.

Также минимальный входной ток в 0,8 раза больше среднего входного тока, 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 скважность преобразователя, т.е. отношение времени включения и выключения генератора.

Рабочий цикл определяется формулой из учебника:

DC = (Vout – Vin)/(Vout) 

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

 

ШАГ – 4

Теперь пришло время определиться с частотой генератора. Это было включено как отдельный шаг, потому что источником сигнала может быть любой таймер 555 (где частота и рабочий цикл полностью находятся под вашим контролем) или контроллер ШИМ с фиксированной частотой.

Как только частота определена, мы можем узнать общий период времени, выполнив обратную операцию.

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 немного измененную формулу индуктора:

L = (V*dt)/dI 

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

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

 

Выбор деталей

1. Переключающий транзистор

Я не упомянул тип, так как он полностью зависит от области применения. Конечно, в наши дни МОП-транзисторы используются во всех приложениях, поскольку они очень эффективны, но могут быть ситуации, когда из-за простоты может быть достаточно обычного биполярного транзистора.

Повторю то, что уже говорил — подобрать транзистор с напряжением пробоя выше максимального выходного напряжения преобразователя .

Также неплохо было бы просмотреть техническое описание полевого МОП-транзистора и определить входную емкость/емкость затвора. Чем ниже это значение, тем проще требования к вождению. Все, что ниже 3500 пФ, является приемлемым и относительно легким в управлении.

Моим личным выбором был бы IRF3205, который имеет сопротивление во включенном состоянии 8 мОм и напряжение пробоя 55 В, с управляемой входной емкостью 3247 пФ, кроме того, что это легкодоступная деталь.

Также на схеме не упоминается специальный драйвер затвора MOSFET. Опять же, я *настоятельно* рекомендую использовать его. Это сэкономит вам много потерь и времени. 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 (а иногда и при напряжениях), выбор диода играет большую роль в эффективности.

К сожалению, обычный 1N4007 не будет работать, так как он слишком медленный. Как и мощный 1N5408. Я пробовал оба на проектах, над которыми работал, оба работали ужасно, потому что они были очень медленными. Не стоит даже пытаться.

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