Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.

Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.

Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Фаза 1

Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.

Фаза 3

И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.

Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.

Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!

Фаза 1

Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.

Фаза 3

Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.

Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:

U ист *I ист = U потр *I потр

Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).

Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.

Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере .

• SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
• DRC — коллектор составного транзистора
• Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
• TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
• CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
• Vcc — Питание схемы
• GND — Земля

Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:

Вытравил, спаял…

Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “ мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Вторая схема.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Третья схема.
:

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания :
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Девятая схема.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме фирмы TEXAS:

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Десятая схема.
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме фирмы MAXIM:
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.

Одиннадцатая схема.
Два изолированных преобразователя на микросхемах фирмы YCL Elektronics:
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

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.

Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

• - понижающие, повышающие, инвертирующие;
• - стабилизированные, нестабилизированные;
• - гальванически изолированные, неизолированные;
• - с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.

8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.

Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.

Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.

Говоря о преобразовании электрической энергии, можно вспомнить разнообразные трансформаторы, генераторы, блоки питания различных бытовых приборов, зарядные устройства электронных гаджетов, сварочные инверторы и даже атомные электростанции. Во всех случаях в том или ином виде происходит преобразование электрической энергии. Можно сказать, что нас в повседневной жизни окружают разные виды электрических преобразователей, и трудно себе представить их полное отсутствие в современном мире.

Преобразователи напряжения постоянного тока получили особенно широкое распространение в последние двадцать лет. Это связано со стремительным развитием полупроводниковой промышленности и электроники в целом.

Высокочастотные импульсные преобразователи почти вытеснили с рынка блоки питания с низкочастотными трансформаторами, которые можно встретить теперь разве что в старых телевизорах и других старинных приборах, или в некоторых современных усилителях звуковой частоты.

Высокочастотный трансформатор (или дроссель) имеет значительно меньшие габариты, чем низкочастотный трансформатор на железе, рассчитанный на работу от сети 50-60 Гц, именно поэтому импульсные блоки питания так компактны. Так или иначе, преобразователи напряжения постоянного тока все же содержат в своей конструкции трансформатор (или дроссель), но это уже совсем не тот тяжелый и шумный трансформатор.

Ассортимент современных DC-DC конвертеров (а именно так называются преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение) достаточно широк. Давайте рассмотрим более подробно, какие именно бывают DC-DC конвертеры .

1. Миниатюрный регулируемый преобразователь

Этот крохотный понижающий преобразователь размером 43мм х 21мм, и другие подобные модели, стоят на китайских торговых площадках от одного доллара. Данный экземпляр работает на микросхеме LM2596 , и его выходные параметры могут регулироваться. На вход подается постоянное напряжение в диапазоне от 4,5 до 40 вольт, а на выходе получается постоянное напряжение от 1,3 до 35 вольт.

Максимальный ток, который можно получить от данного преобразователя составляет 3 ампера, однако в этом случае требуется радиатор, если же преобразователь используется без радиатора, средний ток не должен превышать 2 ампер. Эффективность такого преобразователя может достигать 92%.

Данный преобразователь собран по топологии step-down (buck) converter, и на плате видны все его главные составные части: , дроссель, регулировочный резистор и сама микросхема в корпусе TO-263-5. На приведенной выше принципиальной схеме не изображен регулировочный резистор, но на плате он есть.

Без этого резистора схема не даст на выходе больше 5 вольт, однако если обратную связь снимать не напрямую с выходного конденсатора фильтра, а через делитель напряжения, который как раз и собран здесь с использованием этого регулировочного резистора, можно существенно расширить диапазон выходных напряжений, что и реализовано на данной плате.

Сфера применения этих преобразователей ограничена лишь фантазией разработчика. Здесь и питание светодиодов, и зарядка различных портативных устройств, и многое другое.

Бывают и повышающие преобразователи такого типа, выполненные по топологии step-up (boost) converter.

На приведенном изображении (красная плата) регулируемый повышающий преобразователь максимальной мощностью до 150 ватт (требуется дополнительное охлаждение), на вход которого можно подавать от 10 до 30 вольт, а на выходе получать от 12 до 35 вольт.

Как и в предыдущем примере, этот преобразователь имеет на выходе регулировочный резистор, который и отвечает за получение на выходе нужного значения напряжения. Управляющая микросхема расположена на обратной стороне платы. Сама плата имеет размер 65мм х 35мм. Стоимость такого преобразователя раза в 3 выше предыдущего примера.

Этот блок питания имеет прочный литой водонепроницаемый корпус, залитый эпоксидным компаундом, что позволяет применять его как на транспорте, так и с любым другим оборудованием, где требуется надежность и безопасность. Преобразователь имеет защиту от пониженного напряжения, от перенапряжения, от короткого замыкания, и от перегрузок.

Диапазон входного напряжения в разных моделях весьма широк, и в данном примере от 9 до 24 вольт, при этом на выходе получаем 24 вольта с максимальным током 5 ампер (в данном примере). Размер корпуса на фото 75мм х 75 мм, высота 31мм. Стоимость таких преобразователей порядка 10 – 50 долларов, в зависимости от мощности.

Преобразователи такого типа производятся на мощность от 15 до 360 ватт, на входное напряжение до 60 вольт, и на выходное напряжение от 5 до 48 вольт. Они также весьма распространены на многочисленных торговых площадках.

Обычно эти блоки питания изготавливают по схеме обратноходового, двухтактного или полумостового импульсного преобразователя. Они бывают на входное напряжение от 19 до 72 вольт и выше, а выход обычно от 5 до 24 вольт. Мощность преобразователей такого типа может достигать 1000 ватт. Размеры корпуса от 78мм х 51мм х 28мм до 295мм х 127мм х 41мм.

Такие блоки питания выпускаются многими фирмами-производителями, а их стоимость может доходить до нескольких сотен долларов. Довольно часто подобные блоки применяются для питания светодиодных лент. Они обладают возможностью точной подстройки выходного напряжения и имеют защиту от перегрузки.

Есть на рынке аналогичные модели преобразователей с питанием напрямую от сети переменного тока, называемые AC-DC преобразователями , однако там все равно напряжение сети сначала выпрямляется, фильтруется, то есть делается постоянным, а только после преобразуется посредством стандартного высокочастотного преобразования и выпрямления в постоянное напряжение другого уровня, более низкого, то есть опять же использован модуль DC-DC конвертера .

4. DC-DC конвертор для монтажа на печатную плату

Эти миниатюрные блоки питания обладают мощностью от 0,25 до 100 ватт. Они допускают разброс входного напряжения: 3-3,6В, 4,5-9В, 9-18В, 13-16,6В, 9-36В, 18-36В, 18-72В, 36-72В, и 36-75В. В зависимости от фирмы – производителя диапазоны питающих напряжений могут отличаться. Некоторые преобразователи допускают регулировку выходного напряжения и перевод блока в режим ожидания. Стандартный же ряд выходных напряжений блоков: 5В, 12В, 15В.

DC-DC конвертеры для монтажа на печатную плату имеют электрически прочную изоляцию (1500 В), а максимально допустимая температура может достигать 90 градусов по Цельсию. Наибольший интерес для разработчиков представляют преобразователи мощностью 3 ватта. Стоимость таких конвертеров – от единиц до десятков долларов.

У всех современных промышленных импульсных DC-DC преобразователей значение рабочей частоты лежит выше 50кГц, и достигает 300кГц. Это утверждение справедливо для импульсных трансформаторов и дросселей на феррите, поскольку для применяемых в описанных преобразователях трансформаторов и дросселей везде задействованы именно ферритовые сердечники.

Выпускаемые промышленностью специализированные интегральные микросхемы для импульсных преобразователей очень часто имеют строго установленную частоту, которая всегда выше 50кГц. Если используется ШИМ контроллер , то соответствующая частота задается внешними компонентами.

Похожие статьи