Преобразователь напряжения своими руками: схемы и инструкции как построить простейшее устройство (85 фото)

Широтно-импульсная модуляция

Регулировка выходных параметров осуществляется управлением длительностью открытого и закрытого состояния ключевого элемента. Наиболее распространен принцип широтно-импульсной модуляции.

Транзистор коммутируется высокочастотными импульсами постоянной частоты. Время открытия и закрытия определяется шириной импульсов. Следящая схема контролирует выходное напряжение, сравнивая его с опорным. Сигнал рассогласования поступает на модулятор, регулирующий параметры импульсов управления.

Широтно-импульсная модуляция

В современных конструкциях все эти функции возложены на специализированную интегральную микросхему, благодаря чему схемотехника импульсных блоков питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) отличается простотой и надежностью.

Принцип работы импульсного преобразователя

Разработано несколько типов конструкций преобразователей, которые отличаются принципом работы:

• step-down (buck converter) – устройства, способные понижать входное напряжение до заданного;
• step-up (boost converter) – используются тогда, когда необходимо повысить напряжение на выходе относительно входного;
• buck-boost converter – способен работать как на понижение, так и на повышение напряжения;
• SEPIC (single-ended primary-inductor converter) – имеет аналогичные параметры, но работает по другому принципу;
• inverting converter – основное назначение – инверсия полярности напряжения.

Практически все конструкции используют в работе свойство индуктивности к накоплению энергии. Цепь с катушкой индуктивности (дросселем) управляется ключом, роль которого выполняет быстродействующий транзистор. Различия в схемах заключаются во взаимном расположении дросселя, накопительной емкости и ключевого элемента.

Step-down

Схема содержит индуктивность, расположенную после ключевого элемента и включенную последовательно с нагрузкой. При открытом ключе через дроссель начинает протекать ток. Диод в это время закрыт. После закрытия ключа ток не прекращается мгновенно, а продолжает циркулировать в том же направлении, но уже через открытый диод.

Step-down конвертер

В дальнейшем цикл работы повторяется. Емкость на выходе позволяет сглаживать пульсации выходного напряжения.

Step-up

Данный повышающий преобразователь напряжения также содержит дроссель, соединенный последовательно с нагрузкой, но располагается он до ключа. При открытом ключе через индуктивность течет ток, который линейно растет. После закрытия ключа ток продолжает идти уже через открытый диод в нагрузку. При этом напряжение на входе складывается с ЭДС самоиндукции дросселя.

Step-up конвертер

Остальные схемы имеют аналогичную схемотехнику.

Во всех случаях диод блокирует нагрузку от ключа в необходимом месте цикла преобразования. Падение напряжения на диоде вызывает рассеивание дополнительной мощности, что снижает КПД устройства. Поэтому вместо обыкновенных диодов с падением около 0.7В используют быстродействующие диоды Шоттки, падение напряжения на которых составляет 0.4В.

Особенности работы линейного регулятора напряжения

Принцип работы линейного регулятора напряжения хорошо известен. Классический интегральный стабилизатор μA723 был разработан еще в 1967 году Р. Видларом. Несмотря на то, что электроника с тех пор ушла далеко вперед, принципы функционирования остались практически неизменными .

Стандартная схема линейного регулятора напряжения состоит из ряда основных элементов (рисунок 2): силового транзистора VT1, источника опорного напряжения (ИОН), схемы компенсационной обратной связи на операционном усилителе (ОУ). Современные регуляторы могут содержать дополнительные функциональные блоки: схемы защиты (от перегрева, от перегрузки по току), схемы управления питанием и др.

Рис. 2. Схема линейного стабилизатора напряжения

Принцип работы таких стабилизаторов достаточно прост. Схема обратной связи на ОУ сравнивает величину опорного напряжения с напряжением выходного делителя R1/R2. На выходе ОУ формируется рассогласование, определяющее напряжение «затвор-исток» силового транзистора VT1. Транзистор работает в линейном режиме: чем больше напряжение на выходе ОУ, тем меньше напряжение «затвор-исток», и тем больше сопротивление VT1.

Такая схема позволяет компенсировать все изменения входного напряжения. Действительно, предположим, что входное напряжение Uвх увеличилось. Это вызовет следующую цепочку изменений: Uвх увеличилось → Uвых увеличится → напряжение на делителе R1/R2 возрастет → выходное напряжение ОУ увеличится → напряжение «затвор-исток» уменьшится → сопротивление VT1 увеличится → Uвых уменьшится.

В результате при изменении входного напряжения выходное напряжение меняется незначительно.

При уменьшении выходного напряжения происходят обратные изменения значений напряжений.

Схема импульсного преобразователя напряжения 1,5 — 9 Вольт.

В качестве преобразователя напряжения из 1,5 В в 9 В была выбрана, схема А.Чаплыгина, опубликованная в журнале «Радио» (11.2001г., стр.42).

Эта одна из схем, которая, как нельзя лучше, иллюстрирует выражение: «Всё гениальное – просто».

C1, C2 – 22µF

VT1, VT2 – КТ209К

B1 – 1… 1,5V

И действительно, схема состоит всего из пяти деталей, причём две из них, это конденсаторы фильтров. Вместо выпрямителя высокочастотного напряжения используются база-эмиттерные переходы транзисторов самого генератора. При этом, величина тока базы становится пропорциональной величине тока в нагрузке, что делает преобразователь весьма экономичным.

Другой особенностью генератора является срыв колебаний в отсутствие нагрузки, что автоматически решает проблему управления питанием. Проще говоря, такая «Крона», а точнее, встроенный в неё преобразователь, будет сам включаться тогда, когда от него потребуется что-нибудь запитать и выключаться, когда нагрука будет отключена.

Трансформатор TV1 намотан на кольцевом магнитопроводе 2000НМ размером К7х4х2.
Обмотки III и IV содержат по 28 витков провода Ø0,16мм, а I, II по 4 витка провода Ø0,25мм.

Питание схем с помощью трансформаторных блоков питания

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

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

Доработка мультиметра.

Мультиметр DT-830B сразу же заработал от модернизированной «Кроны». А вот тестер M890C+ пришлось немного доработать.

Дело в том, что в большинстве современных мультиметров задействована функция автоматического отключения питания. На картинке показана часть панели управления мультиметра, где обозначена данная функция.

Схема автоотключения (Auto Power Off) работает следующим образом. При подключении батареи, заряжется конденсатор С10. При включении питания, пока конденсатор C10 разряжается через резистор R36, на выходе компаратора IC1 удерживается высокий потенциал, что приводит к отпиранию транзисторов VT2 и VT3. Через открытый транзистор VT3 напряжение питания и попадает в схему мультиметра.

Как видите, для нормальной работы схемы, нужно подать питание на С10 ещё до того, как включится основная нагрузка, что невозможно, так как наша модернизированная «Крона», напротив, включится только тогда, когда появится нагрузка.

В общем, вся доработка заключалась в установке дополнительной перемычки. Для неё я выбрал место, где это было сделать удобнее всего.

К сожалению, обозначения элементов на электрической схеме не совпали с обозначениями на печатной плате моего мультиметра, поэтому точки для установки перемычки нашёл так. Прозвонкой выявил нужный вывод выключателя, а шину питания +9V определил по 8-ой ножке операционного усилителя IC1 (L358).

Повышающие преобразователи напряжения

Мой лабораторный блок питания работает от блока ноутбука на 19V 90W, но этого не хватает для проверки последовательно подключенных светодиодов. Последовательная LED цепочка требует от 30В до 50В. Покупать готовый блок на 50-60 Вольт и 150W оказалось дороговато, около 2000 руб. Поэтому заказал первый повышающий стабилизатор за 500 руб. с повышением до 50В. После проверки оказалось, что он максимум до 32В, потому что на входе и выходе стоят конденсаторы на 35V. Убедительно написал продавцу своё возмущение, и через пару дней мне вернули денежку.

Повышатель Tusotek

Заказал второй до 55V под брендом Tusotek за 280руб, повышатель оказался отличный. С 12В легко повышает до 60V, выше крутить построечный резистор не стал, вдруг сгорит. Радиатор приклеен на теплопроводящий клей, поэтому маркировку микросхемы посмотреть не удалось. Охлаждение сделано немного неправильно, теплоотводная площадка диода Шотки и контроллера прикреплена к плате, а не к радиатору.

Мелкие подробности.

Сложно было приобрести всего один аккумулятор. Их в основном продают, либо парами, либо по четыре штуки. Однако некоторые комплекты, например, «Varta», поставляются по пять аккумуляторов в блистере. Если Вам повезёт так же, как и мне, то Вы сможете разделить с кем-нибудь такой комплект. Аккумулятор я купил всего за 3,3$, тогда как одна «Крона» стоит от 1$ до 3,75$. Есть, правда, ещё «Кроны» и по 0,5$, но те и вовсе мёртворождённые.

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения
с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие (рис. 1), повышающие (рис. 2) и инвертирующие (рис. 3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов
:

1. источник питания,
2. ключевой коммутирующий элемент,
3. индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель),
4. блокировочный диод,
5. конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

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

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

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

Схема dc-dc преобразователя

На главную страницу

   Это DC-DC преобразователь напряжения с 5-13 В на входе, до 12 В выходного постоянного тока 1,5 А. Преобразователь получает меньшее напряжение и дает более высокое на  выходе, чтобы использовать там где есть напряжение меньшее требуемых 12 вольт. Часто он используется для увеличения напряжения имеющихся батареек. Это по сути интегральный DC-DC конвертер. Для примера: есть литий-ионный аккумулятор 3,7 В, и его напряжение с помощью данной схемы можно изменить, чтобы обеспечить необходимые 12 В на 1,5 А.
Схема DC-DC преобразователя на MC34063A
   Преобразователь легко построить самостоятельно. Основным компонентом является микросхема MC34063, которая состоит из источника опорного напряжения (температурно-компенсированного), компаратора, генератора с активным контуром ограничения пикового тока, вентиля (элемент «И»), триггера и мощного выходного ключа с драйвером и требуется только несколько дополнительных электронных компонентов в обвязку для того чтобы он был готов. Эта серия микросхем была специально разработана, чтобы включены их в состав различных преобразователей.
Достоинства микросхемы MC34063A 
Работа от 3 до 40 В входа
Низкий ток в режиме ожидания
Ограничение тока
Выходной ток до 1,5 A
Выходное напряжение регулируемое
Работа в диапазоне частот до 100 кГц
Точность 2%

Описание радиоэлементов

R — Все резисторы 0,25 Вт.

T — TIP31-NPN силовой транзистор. Весь выходной ток проходит через него.

L1 — 100 мкГн ферритовые катушки. Если придётся делать самостоятельно, нужно  приобрести тороидальные ферритовые кольца наружным диаметром  20 мм и внутренним диаметром 10 мм, тоже 10 мм высотой и проволоку 1 — 1,5 мм толщиной на 0,5 метра, и сделать 5 витков на равных расстояниях. Размеры ферритового кольца не слишком критичны

Разница в несколько (1-3 мм) приемлема. 

D — диод Шоттки должен быть использован обязательно

TR — многовитковый переменный резистор, который используется здесь для точной настройки выходного напряжения 12 В. 

C — C1 и C3 полярные конденсаторы, поэтому обратите внимание на это при размещении их на печатной плате.
Список деталей для сборки
Резисторы: R1 = 0.22 ом x1, R2 = 180 ом x1, R3 = 1,5 K x1, R4 = 12K x1
Регулятор: TR1 = 1 кОм, многооборотный 
Транзистор: T1 = TIP31A или TIP31C
Дроссель: L1 = 100 мкГн на ферритовом кольце
Диод: D1 — шоттки 1N5821 (21V — 3A), 1N5822 (28V — 3A) или MBR340 (40В — 3A) 
Конденсаторы: C1 = 100 мкФ / 25V, C2 = 0.001 мкФ , C3 = 2200 мкФ / 25V
Микросхема: MC34063 
Печатная плата 55 x 40 мм  

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

   Схемы блоков питания

Порядок вывода комментариев: По умолчанию Сначала новые Сначала старые 1Дмитрий   (22.02.2016 17:47)
а такая микросхема подойдет mc34063ag

2MAESTRO   (22.02.2016 17:59)

Да, пойдёт.

3Дмитрий   (23.02.2016 15:22)

резистор на 0.22 ом,можно заменить на какой нибудь другой? если да то на какой?

4MAESTRO   (23.02.2016 15:43)

Можно из нескольких по 1 Ому паралллельно составить его.

5Дмитрий   (25.03.2016 07:53)

Прошу помощи или совета: собрал микросхему все работает,выдает 12в, подключаю лампочку на 12в горит, замечательно! Но как только я подсоединяю усилитель НЧ С РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-18в (ток потребления 60-150 mA )начинает что то пищать, ну пусть бы пищало, только этот писк передается в динамики.да и еще заметил если прибавить звука побольше писк пропадает и в динамиках и в схеме. Не подскажешь в чем может быть проблема или может посоветуешь что нибудь?

6воин2010   (07.04.2016 17:38)
либо конденсатор плохой , либо нужно повысить рассеивающую мощность резисторов , начни с кондюков , их всего 3 , легче и быстрей проверишь. 7воин2010   (10.04.2016 16:00)
вопросик ,собрал схему но выдаёт макс 1.7 вольт , где совершил ошибку подскажите

• Снижение расхода топлива в авто
• Ремонт зарядного 6-12 В
• Солнечная министанция
• Самодельный ламповый
• Фонарики Police
• Генератор ВЧ и НЧ

• 2009-2020, «Электронные схемы самодельных устройств». Электросхемы для самостоятельной сборки радиоэлектронных приборов и конструкций. Полезная информация для начинающих радиолюбителей и профессионалов. Все права защищены.

• Вход
• Почта
• Мобильная версия

Порядок намотки импульсного трансформатора.

Намотать прокладку на кольцевой сердечник столь малых размеров очень сложно, а мотать провод на голый сердечник неудобно и опасно. Изоляция провода может повредиться об острые грани кольца.
Чтобы предотвратить повреждение изоляции, притупите острые кромки магнитопровода, как описано .

Чтобы во время укладки провода, витки не «разбегались», полезно, покрыть сердечник тонким слоем клея «88Н» и просушить до намотки.

Вначале мотаются вторичные обмотки III и IV (см. схему преобразователя). Их нужно намотать сразу в два провода. Витки можно закрепить клеем, например, «БФ-2» или «БФ-4».

У меня не нашлось подходящего провода, и я вместо провода расчётного диаметра 0,16мм использовал провод диаметром 0,18мм, что привело к образованию второго слоя в несколько витков.

Затем, так же в два провода, мотаются первичные обмотки I и II. Витки первичных обмоток также можно закрепить клеем.

Преобразователь я собрал методом навесного монтажа, предварительно связав х/б нитью транзисторы, конденсаторы и трансформатор.

Вход, выход и общую шину преобразователя вывел гибким многожильным проводом.

Классификация Dc Dc преобразователей

Вообще Dc Dc преобразователи можно разделить на несколько групп.

Понижающий, по английской терминологии step-down или buck

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

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

Повышающий, по английской терминологии step-up или boost

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

Универсальный Dc Dc преобразователь – SEPIC

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

Инвертирующий Dc Dc преобразователь — inverting converter

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

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

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о Dc Dc преобразователях следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

DC/DC-преобразователи для шин питания с напряжением до 61 В

Микросхемы преобразователей с уровнями питающих напряжений до 61 В идеально подходят для построения высокозащищенных источников питания для промышленных и автомобильных шин питания 24 В с высоким уровнем мощных помех.

L7987 / L7987L представляют собой микросхемы понижающих DC/DC-преобразователей с выходным током до 3 А (L7987L – до 2 А). Эти преобразователи способны работать со входными напряжениями до 61 В, формируя выходное напряжение 0.8…Uвх В (рисунок 12).

Рис. 12. Типовая схема включения L7987/L7987L

Как и в случае с L6986, типовая схема включения L7987/L7987L с первого взгляда кажется достаточно сложной. Однако причина такой сложности – в большом количестве встроенных функций и возможности глубокой оптимизации параметров преобразователя в соответствии с заявленными требованиями.

Перечислим основные особенности данных преобразователей:

• возможность внешней синхронизации с помощью вывода SYNC;
• наличие функции оптимизации переключений при малых уровнях нагрузки преобразователя, позволяющее оптимизировать потребление при малых токах;
• подстраиваемое значение тока ограничения. Настройка производится одним резистором;
• настройка частоты преобразователя – 260…1000 кГц. Рабочая частота задается подтяжкой вывода FSW резистором определенного номинала к земле.
• наличие функции PGOOD, позволяющей судить о достижении преобразователем заданных уровней выходного напряжения и отсутствия аварийных ситуаций;
• наличие защиты от перенапряжения на нагрузке;
• наличие защиты от перегрева.

Хотя типовые схемы включений представленных преобразователей и могут показаться сложными для расчета, не стоит этого бояться. Дело в том, что компания STMicroelectronics предлагает бесплатную онлайн-программу eDesignSuite для расчета и моделирования аналоговых схем. Этот инструмент позволяет спроектировать принципиальную схему DC/DC-преобразователя в несколько щелчков мыши.

Универсальный компактный нормирующий преобразователь с гальванической развязкой K121

• K121 Компактный преобразователь

• Преобразователь интерфейса EASY-USB

Наименование	Наличие на складе	Цена руб. с НДС
K121 Компактный преобразователь с гальв. разв. Вх: Pt100,Pt500,Pt1000,Ni100,J,K,R,S,T,B,E,N,0/4…20мА,0/2…10В; Вых: 4…20 мА, питание от токовой петли		6 666 Р
EASY-USB Преобразователь интерфейса USB/TTL для конфигурирования преобразователей K120RTD, K121, T121		6 200 Р

Назначение

K121 способен решать различные задачи, связанные с преобразованием аналогового сигнала в унифицированный сигнал 4…20 мА. Модуль имеет универсальный вход, за счет чего к нему можно подключать термопары, термометры сопротивления, сигналы типа 4…20 мА или 0…10 В, погрешность преобразования при этом не превышает 0,1 %.

Пользователь может не только устанавливать различные диапазоны преобразования, но и самостоятельно задавать кривую преобразования. Конфигурирование модуля осуществляется с помощью ПО Easy Setup и программатора EasyUSB.

Компактные размеры K121 позволяют экономить место в шкафу автоматики, а питание от выходной токовой петли сокращает количество подключаемых проводов.

• Особенности
• Технические характеристики
• Схемы подключения
• Монтаж
• Аксессуары

Особенности нормирующего преобразователя с гальванической развязкой K121

К модулю могут быть подключены датчики различных типов: термопары; термометры сопротивления; потенциометры; датчики типа 4-20 мА датчики типа 0-10 В и более.	С помощью ПО Seneca Easy Setup пользователь может задать свои параметры преобразования. В качестве входного сигнала может быть: напряжение, мВ; напряжение, В; ток, мкА; сопротивление, Ом.
Основная погрешность преобразования сигнала составляет 0,1 %.	Для подключения к ПК требуется комплект Easy USB. ПО Seneca Easy Setup позволяет задавать тип входного сигнала, пределы преобразования, а при необходимости создавать нелинейные кривые преобразования.
Гальваническая развязка между входом и выходом позволяет изолировать датчики, установленные “по месту” и вход ПЛК автоматизированной системы.	Малая ширина модуля (6,2 мм) позволяет значительно экономить пространство в шкафу при использовании большого количества преобразователей.

Технические характеристики нормирующего преобразователя Seneca K121

Параметр	Описание
Тип входного сигнала: потенциометр
Значение	От 500 ом до 10 кОм
Входное сопротивление	10 МОм
Тип входного сигнала: термопара
Тип термопары	J, K, R, S, T, B, E, N
Входное сопротивление	10 МОм
Обнаружение обрыва датчика	Да. (Настраивается)
Тип входного сигнала: термосопротивление
Тип термосопротивления	PT100, NI100, PT500, PT1000
Входное сопротивление	10 МОм
Ток возбуждения	375 мкА
Сопротивление проводов	До 25 Ом
Влияние сопротивления проводов	0,003 Ом/Ом
Схема включения	2-, 3-, 4-проводная
Ток возбуждения	Менее 350 мкА
Диапазон измеряемой температуры	-200…+210 °С
Тип входного сигнала: напряжение (мВ)
Входное сопротивление	10 МОм
Диапазон	-150…150 мВ постоянного тока
Тип входного сигнала: напряжение (В)
Входное сопротивление	200 кОм
Диапазон	-30…30 В постоянного тока
Тип входного сигнала: ток
Входное сопротивление	40 Ом
Диапазон	-24…24 мА
Условия эксплуатации
Температура работы	-20…+65 °С
Относительная влажность окружающего воздуха	30…90 % при 40 °С без конденсации
Температура хранения	-20…+85 °С
Степень защиты	IP20
Параметры корпуса
Размеры	93 × 102,5 × 6,2 мм
Подключение проводников	8 пружинных клемм

Схемы подключения нормирующего преобразователя Seneca K121

Схемы подключения термосопротивлений и потенциометра	Схемы подключения термопар и сигналов, нормированных по напряжению	Схема подключения токового сигнала

Аксессуары для нормирующего преобразователя Seneca EASY-USB

выбор типа подключаемого датчика; установка пределов преобразования; задание пользовательской кривой преобразования.

DC/DC-преобразователи для шин питания с напряжением до 18 В

ST1S50 – высокоэффективный синхронный DC/DC-преобразователь с выходным током до 4 А, работающий на фиксированной частоте 500 кГц. Входное напряжение для него может лежать в диапазоне 4…18 В, а диапазон выходных напряжений – 0.8…0.88×Uвх (рисунок 7).

Рис. 7. Типовая схема включения ST1S50

Преобразователь имеет высокий КПД за счет применения синхронной схемы. Сопротивление открытого канала интегрированных ключей мало: 95 мОм (ключ верхнего плеча), 69 мОм (ключ нижнего плеча).

ST1S50 имеет существенные преимущества.

Во-первых, интеллектуальная система контроля тока и особый режим ШИМ позволяют повысить величину КПД при малых нагрузках. Например, при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 5 В и выходном токе более 250 мА КПД составит более 90%.

Во-вторых, высокая рабочая частота и низкое сопротивление ключей позволяют уменьшить значение емкости выходного фильтра. В результате для части приложений достаточно будет одного керамического конденсатора. Такое решение позволяет снизить площадь, занимаемую преобразователем на плате.

В-третьих, преобразователь имеет функцию «Power Good». Ее суть заключается в том, что схема с открытым стоком формирует на выводе PG низкий уровень в случае, если выходное напряжение падает ниже 91% от заданного значения. Вывод PG толерантен к уровню напряжения питания микросхемы.

В-четвертых, ST1S50 имеет программируемое время плавного старта. Задание происходит посредством одного конденсатора, подключенного к выводу EN_SS. Этот же вывод используется для разрешения работы преобразователя.

Если для разрабатываемого устройства требуются, в первую очередь, минимальные габариты, то следует обратить внимание на преобразователи ST1S40/ST1S41. ST1S40/ST1S41 – синхронные 3 A/4 А DC/DC-преобразователи, работающие со входными напряжениями 4…18 В

Диапазон выходных напряжений – от 0.8 В до уровня входного напряжения

ST1S40/ST1S41 – синхронные 3 A/4 А DC/DC-преобразователи, работающие со входными напряжениями 4…18 В. Диапазон выходных напряжений – от 0.8 В до уровня входного напряжения.

Преобразователи имеют высокий КПД по целому ряду причин: синхронная схема преобразователя, низкое сопротивление интегрированных силовых ключей (95 мОм для ключа верхнего плеча, 69 мОм для ключа нижнего плеча), высокая рабочая частота – до 850 кГц.

Еще одним преимуществом ST1S40/ST1S41 является простота схемотехнической реализации (рисунок 8). Микросхемы имеют встроенные схемы компенсации и плавного старта фиксированной длительности (1 мс). Это позволяет сократить количество необходимых внешних компонентов. С одной стороны, это упрощает стоимость конечного изделия, с другой – позволяет создавать компактные решения.

Рис. 8. Типовая схема включения ST1S40/ST1S41

ST1S50, ST1S40 и ST1S41 имеют широкий диапазон применений – это не только бытовая и потребительская электроника, но и системы безопасности (центральные блоки), системы ЧПУ (блоки процессоров, модули электроавтоматики, пульты операторов), измерительная и контрольно-проверочная аппаратура.

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (V_L1 = V_IN), а на втором – полное выходное напряжение (V_L2 = V_OUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (формула 14):

$$\frac{V_{IN}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{OUT}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

Но, поскольку инвертирующие преобразователи обычно строятся на основе однообмоточных дросселей, для которых N₁ = N₂, то их регулировочная характеристика при работе во всех режимах, кроме разрывного, несколько проще (формула 15):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Ключевой особенностью обратноходового преобразователя является возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. В этом случае обмотки дросселя могут иметь разное количество витков (формула 16):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

Для инвертирующего преобразователя, вход и выход которого имеют один общий провод, выходное напряжение V_OUT по абсолютному значению может быть как больше, так и меньше входного V_IN. Однако оно обязательно должно иметь обратную полярность, ведь ни продолжительность первого t_ON, ни второго t_OFF этапов преобразования не могут быть отрицательными. Для обратноходового преобразователя обеспечение двухполярного напряжения на обмотке осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. Если это правило будет нарушено, то обратноходовой преобразователь работать не будет (фактически он превратится в прямоходовой, который имеет несколько иной принцип работы).

При использовании в понижающей, повышающей и инвертирующей схемах дросселя с одной обмоткой наибольшая эффективность преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ V_IN…V_OUT ≤ 10. Если же входное напряжение отличается от входного больше чем в 10 раз, тогда, в соответствии с формулой 9, длительность одного из этапов преобразования (t_ON или t_OFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимости соотношения напряжения на входе и выходе преобразователей (VOUT/VIN) от соотношения длительностей первого и второго этапов (tON/tOFF)

При этом становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, поскольку при малых длительностях t_ON или t_OFF увеличиваются пульсации токов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому уменьшению КПД, вплоть до физической невозможности реализации данного режима (необходимая длительность t_ON или t_OFF может оказаться меньше чем время включения/выключения полупроводникового компонента). Поэтому при большой разнице напряжений между входом и выходом используют автотрансформаторное включение дросселей, при котором транзистор или диод подключаются к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N₁ ≠ N₂ и формулы 10…15 придется выводить заново из базового соотношения формулы 9.

Рис. 8. Понижающий преобразователь с автотрансформаторным включением дросселя, работающий при большой разнице напряжений (VIN >>VOUT)

Преобразователь напряжения DС-DC с гальванической развязкой

Классическая схема DC-DC устройств отличается существенным недостатком, который заключается в гальванической связи входа и выхода. В связи с этим имеется высокая вероятность удара электрическим током.

Для повышения безопасности перечисленные выше схемы могут комплектоваться разделительным трансформатором, который осуществляет гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Обратите внимание! Наличие трансформатора позволяет проектировать устройства с несколькими значениями выходного напряжения. Разделительный трансформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте. Разделительный трансформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте

Разделительный трансформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте.

Импульсный трансформатор

Обратная связь для контроля за выходными параметрами осуществляется через дополнительную обмотку трансформатора либо через оптрон.

Повышающий преобразователь с разделительным трансформатором вместо дросселя называется обратноходовым (flyback converter).

Порядок намотки импульсного трансформатора.

Намотать прокладку на кольцевой сердечник столь малых размеров очень сложно, а мотать провод на голый сердечник неудобно и опасно. Изоляция провода может повредиться об острые грани кольца.
Чтобы предотвратить повреждение изоляции, притупите острые кромки магнитопровода, как описано .

Чтобы во время укладки провода, витки не «разбегались», полезно, покрыть сердечник тонким слоем клея «88Н» и просушить до намотки.

Вначале мотаются вторичные обмотки III и IV (см. схему преобразователя). Их нужно намотать сразу в два провода. Витки можно закрепить клеем, например, «БФ-2» или «БФ-4».

У меня не нашлось подходящего провода, и я вместо провода расчётного диаметра 0,16мм использовал провод диаметром 0,18мм, что привело к образованию второго слоя в несколько витков.

Затем, так же в два провода, мотаются первичные обмотки I и II. Витки первичных обмоток также можно закрепить клеем.

Преобразователь я собрал методом навесного монтажа, предварительно связав х/б нитью транзисторы, конденсаторы и трансформатор.

Вход, выход и общую шину преобразователя вывел гибким многожильным проводом.

Схемы устройств для преобразования энергии

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.

Рис. 24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

Рис. 25. Вариант схемы понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

В качестве динисторов VD4 можно использовать отечественные низковольтные аналоги — КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 23), источники питания (рис. 24 и 25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.