Здесь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения , как правило, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умножителя напряжения.
Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а также получить на выходе преобразователя напряжение другого знака. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик — обычно единицы, реже десятки мА.
Задающий генератор
Задающий генератор бестрансформаторных преобразователей напряжения может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1) выполнен на основе симметричного мультивибратора.
В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы — маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.
Рис. 1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 — задающий генератор; 2 — типовой блок усилителя.
Бестрансформаторный преобразователь напряжения
Бестрансформаторный преобразователь напряжения состоит из двух типовых элементов (рис. 2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряжения (рис. 2).
Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное напряжение 22В при токе нагрузки до 100 мА (параметры элементов: R1=R4=390 Ом. R2- R3=5,6 кОм, C1=C2=0,47 мкФ). В блоке 1 использованы транзисторы КТ603А — б; в блоке 2 — ГТ402В(Г) и ГТ404В(Г).
Рис. 2. Схема бестрансформаторного преобразователя с удвоением напряжения.
Рис. 3. Схемы преобразователей напряжения на основе типового блока.
Преобразователь напряжения построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1), можно применить для получения выходных напряжений разчой полярности так, как это показано на рис. 3.
Для первого варианта на выходе формируются напряжения +10 В и -10 В; для второго — +20 В и -10 В при питании устройства от источника напряжением 12В.
Схема преобразователя для питания тиратронов 90В
Для питания тиратронов напряжением примерно 90 В применена схема преобразователя напряжения по рис. 4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=-1 кОм, R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ.
Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.
Рис. 4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем.
Инвертор полярности напряжения из (+) в (-)
Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1). На выходе устройства (рис. 5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания.
Рис. 5. Схема инвертора напряжения.
По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.
Преобразователь (удвоитель) напряжения
Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 — VD4).
Рис. 6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности.
Блок 1: R1 =R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; C1=C2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.
Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.
Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12В (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 В; при 50 Ом — до 10 В; а при 10 Ом — до 7 В.
Двуполярный преобразователь со средней точкой
Преобразователь напряжения (рис. 7) позволяет получить на выходе два разнополярных напряжения с общей средней точкой. Такие напряжения часто используют для питания операционных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его величины изменяются одновременно.
Рис. 7. Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений.
Транзистор VT1 — КТ315, диоды VD1 и VD2—Д226.
Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.
Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.
Выходное сопротивление удвоителя — 10 Ом. В режиме холостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличении тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 В.
Преобразователи-инверторы с задающим генератором на КМОП-элементах
Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 8) выполнен на двух КМОП-элементах, К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное напряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов — при низковольтном питании) меньше входного.
Рис. 8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах.
Похожая схема преобразователя изображена на следующем рисунке (рис. 9). Преобразователь содержит задающий генератор на КМОП-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов.
На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: +15 б при токе нагрузки 13... 15 мА и -15 В при токе нагрузки 5 мА.
Рис. 9. Схема преобразователя напряжения для формирования разнополярных напряжений с задающим генератором на КМОП-элементах.
На рис. 10 показана схема выходного узла бестрансформаторного преобразователя напряжения.
Рис. 10. Схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения.
Этот узел фактически является усилителем мощности. Для управления им можно использовать генератор импульсов, работающий на частоте 10 кГц.
Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощности потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближается к 18 В (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротивление — около 10 Ом.
При работе узла от задающего генератора на КМОП-элементах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ограничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор сопротивлением в несколько кОм.
Преобразователь напряжения для управления варикапами
Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах. Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 б, и такая схема показана на рис. 11.
На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 — VD4 и конденсаторы С2 — С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 — параметрический стабилизатор напряжения.
Рис. 11. Схема преобразователя напряжения для варикапов.
Преобразователь напряжения на КМОП микросхеме
Рис. 12. Схема преобразователя напряжения на КМОП микросхеме.
Простой преобразователь напряжения на одной лишь КМОП-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис.12.
Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 12):
|
Uпит, В |
Івых. мА |
Uвых, В |
Двуполярный преобразователь
Рис. 13. Схема выходного каскада формирователя двухполярного напряжения.
Для преобразования напряжения одного уровня в двухполярное выходное напряжение может быть использован преобразователь с выходным каскадом по схеме на рис. 13.
При входном напряжении преобразователя 5В на выходе получаются напряжения +8В и -8В при токе нагрузки 30 мА. КПД преобразователя составил 75%. Значение КПД и величину выходного напряжения можно увеличить за счет использования в выпрямителе-умножителе напряжения диодов Шотки. При увеличении напряжения питания до 9 В выходные напряжения возрастают до 15 В.
Приблизительный аналог транзистора 2N5447 — КТ345Б; 2N5449 — КТ340Б. В схеме можно использовать и более распространенные элементы, например, транзисторы типа КТ315, КТ361.
Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть использованы самые разнообразные генераторы сигналов прямоугольной формы.
Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 14) . Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без каскадов дополнительного усиления.
Генератор на микросхеме DA1 (КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель напряжения.
К выходу умножителя напряжения подключен резистивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1.
Параметры этого делителя подобраны таким образом, что, если выходное напряжение по абсолютной величине превысит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений резисторов R3 и R4.
Рис. 14. Схема преобразователя-инвертора напряжения с задающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1.
Характеристики преобразователя — инвертора напряжения (рис 14) приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 14).
|
Uпит, В |
Івых, мА |
Iпотр, мА |
КПД, % |
Умощненный преобразователь-инвертор на микросхеме КР1006ВИ1
На следующем рисунке показана еще одна схема преобразователя напряжения на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 15). Рабочая частота задающего генератора 8 кГц.
На его выходе включен транзисторный усилитель и выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. При напряжении источника питания 12 б на выходе преобразователя получается 20 В. Потери преобразователя обусловлены падением напряжения на диодах выпрямителя-удвоителя напряжения.
Рис. 15. Схема преобразователя напряжения с микросхемой КР1006ВИ1 и усилителем мощности.
Инвертор полярности напряжения на микросхеме КР1006ВИ1
На основе этой же микросхемы (рис. 16) может быть создан инвертор напряжения. Рабочая частота преобразования — 18 кГц, скважность импульсов — 1,2.
Рис. 16. Схема формирователя напряжения отрицательной полярности.
Преобразователь напряжения-инвертор на основе ТТЛ-микросхем
Как и для других подобных устройств, выходное напряжение преобразователя существенно зависит от тока нагрузки.
ТТЛ и КМОП-микросхемы могут быть использованы для выпрямления тока. Развивая тему, автор этой идеи Д. Катберт предложил бестрансформаторный преобразователь напряжения-инвертор на основе ТТЛ-микросхем (рис. 7).
Рис. 17. Схема инвертора напряжения на основе двух микросхем.
Устройство содержит две микросхемы: DD1 и DD2. Первая из них работает в качестве генератора прямоугольных импульсов с частотой 7 кГц (элементы DD1.1 и DD1.2), к выходу которого подключен инвертор DD1.3 — DD1.6.
Вторая микросхема (DD2) включена необычным образом (см. схему): она выполняет функцию диодов. Все ее элементы-инверторы для увеличения нагрузочной способности преобразователя включены параллельно.
В результате такого включения на выходе устройства получается инвертированное напряжение -U, примерно равное (по абсолютной величине) напряжению питания. Напряжение питания устройства с КМОП-микросхемой 74НС04 может быть от 2 до 7 В. Примерный отечественный аналог — ТТЛ-микросхема типа К555ЛН1 (работает в более узком диапазоне питающих напряжений) или КМОП-микросхема КР1564ЛН1.
Максимальный выходной ток преобразователя достигает 10 мА . При отключенной нагрузке устройство практически не потребляет ток.
Преобразователь напряжения на микросхеме К561ЛА7
В развитие рассмотренной выше идеи использования защитных диодов КМОП-микросхем, имеющихся на входах и выходах КМОП-элементов, рассмотрим работу преобразователя напряжения, выполненного на двух микросхемах DD1 и DD2 типа К561ЛА7 (рис. 18).
На первой из них собран генератор, работающий на частоте 60 кГц. Вторая микросхема выполняет функцию мостового высокочастотного выпрямителя.
Рис. 18. Схема точного преобразователя полярности на двух микросхемах К561ЛА7.
В процессе работы преобразователя на выходе формируется напряжение отрицательной полярности, с большой точностью при высокоомной нагрузке повторяющее напряжение питания во всем диапазоне паспортных значений питающих напряжений (от 3 до 15 В).
Хотим уделить также внимание бестрансформаторным преобразователям напряжения . Принцип работы практически такой же. Разница лишь в конструктивном исполнении выходного каскада. С одной стороны, убрав импульсный трансформатор, схема преобразователя напряжения заметно упрощается, уменьшаются габариты и вес. Но с другой – при бестрансформаторном способе отсутствует гальваническая развязка от аккумулятора и для реализации двуполярного питания необходимо собирать две схемы. Также затруднено получение на выходе бестрансформаторного преобразователя напряжения большего по сравнению с входящим напряжения. Обычно в бестрансформаторных вариантах Uвх?Uвых (но не всегда, в зависимости от топологии).
Такие преобразователи напряжения собираются на современной элементной базе и также содержат ШИМ - контроллеры с выходными каскадами на мощных транзисторах для обеспечения повышенной максимально допустимой силы тока. Отличительной чертой современных ШИМ контроллеров для сборки на их базе бестрансформаторных преобразователей напряжения является широкий диапазон питающих напряжений.
В рамках нашей сегодняшней статьи рассмотрим ШИМ контроллеры LM5088 и LM3488 . ШИМ - контроллер LM5088 конца 2008 года выпуска, а LM3488 значительно моложе – конец 2010 года. На вход преобразователя напряжения в первом случае можно подавать от 4,5 до 75 вольт, во втором – от 2,97 до 40 вольт. Устройство рассчитывается на любое выходное напряжение относительно входного по формулам. В зависимости от этого подбираются номиналы применяемых радиодеталей. Приведенные ШИМ контроллеры обеспечивают высокий выходной ток преобразователя, который составляет 10 ампер.
Частота LM5088 задается в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц. КПД очень высокий – 97%. ШИМ - контроллер LM5088 выпускается в двух исполнениях:
Упрощенная на LM5088:
Назначение некоторых выводов:
VIN – питающее напряжение в диапазоне 4,5…75 В;
EN – если напряжение на контакте ниже 0,4 вольт, преобразователь не работает; если в диапазоне 0,4…1,2 В – LM5088 находится в режиме ожидания; если выше 1,2 вольт – ШИМ контроллер выполняет свои функции в полном объеме. Таим образом, делителем напряжения может быть установлен порог отключения преобразователя напряжения;
SS – вывод для плавного пуска;
RAMP – используется для режима управления. Конденсатор Cramp рекомендуется выбирать из диапазона 100…2000 пФ;
RT/SYNC – задающий генератор частоты – частотный диапазон выбирается подбором резистора Rrt и лежит в диапазоне 50 кГц – 1 МГц;
GND – земля;
COMP – выходной вывод усилителя ошибки – составляет петлю с выводом FB;
FB – вывод для сигнала обратной связи – соединен с инвертирующим входом усилителя ошибки, регулирует порог в 1,205 вольт;
OUT – выходное (снимаемое) напряжение;
SW – коммутационный узел – подключается к выходу силового транзистора;
HG – подключается ко входу силового транзистора;
BOOT – вход для стартерного конденсатора – конденсатор подключается между SW и BOOT выводами, чтобы обеспечить переключение MOSFET транзистора;
VCC – выход смещающего регулятора – Cvcc – керамический разделительный конденсатор номиналом 0,1…10 мкФ.
Готовая схема бестрансформаторного преобразователя напряжения на LM5088, рассчитанная на выходное напряжение 5 вольт и ток до 7 ампер:
Чтобы рассчитать устройство на другое напряжение и ток, можно воспользоваться либо формулами из datasheet, либо специальным калькулятором .
Частота LM3488 задается в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц с помощью одного внешнего резистора. Данный ШИМ – контроллер значительно проще и меньше по габаритам и представляет собой 8-ми контактную микросхему.
Назначение выводов аналогичное, что и у ШИМ LM5088. Более подробные технические характеристики LM3488, как базового компонента бестрансформаторного преобразователя напряжения , а также различные диаграммы зависимостей напряжения, тока и частоты можно посмотреть в datasheet .
Также можно в качестве примера привести схемы уже готовых бестрансформаторных преобразователей напряжения на LM3488. Первый с входным напряжением 3…24 В, а выходное 5 вольт – 1 ампер; второй с входным – 3,3 вольта, а выходным – 5 вольт – 2 ампера. Третья схема, мне кажется, более ходовая и обеспечивает на выходе 12 вольт – 1,5 ампера при входном напряжении 4,5…5,5 В.
Вид двухсторонней печатной платы для последней схемы преобразователя напряжения таков:
Но основная ценность ШИМ – контроллера LM3488 в том, что на его базе можно собрать отличный источник питания (точнее посредник, т.е. бестрансформаторный преобразователь) для усилителей мощности звуковой частоты. Нами были рассчитаны номиналы радиодеталей для схемы бестрансформаторного преобразователя напряжения , который может быть использован для питания популярного УМЗЧ на TDA7294 . В качестве источника тока применяется автомобильный аккумулятор на 12 вольт. Все данные ниже на рисунках.
Многие начинающие радиолюбители затрудняются определить тип блока питания, а ведь это не так уж и сложно. Основные способы преобразования напряжения заключаются в использовании одного из двух вариантов схемотехники:
Трансформаторные;
Бестрансформаторные источники питания.
В свою очередь трансформаторные различаются по типу схемы:
Сетевая, с трансформатором, работающим на частоте 50 Гц;
Импульсная, с трансформатором, работающим на высоких частотах (десятки тысяч Гц).
Импульсные схемы блоков питания позволяют увеличить общий КПД конечного изделия, за счет избегания статических потерь на линейных стабилизаторах и прочих элементах.
Бестрансформаторные схемы
Если возникает необходимость питания от бытовой электросети 220 В, простейшие приборы можно включить от блоков питания использующих балластные элементы для понижения напряжения. Широко известным примером такого источника питания является схема с балластным конденсатором.
Однако существует ряд драйверов со встроенным и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в и другой технике.
В случае питания от источника постоянного тока, например, аккумуляторов или других гальванических элементов питания, используют:
Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с, или без проходного транзистора, параметрического стабилизатора из стабилитрона и транзистора)
Импульсного преобразователя (понижающего - BUCK, повышающего - BOOST, или понижающе-повышающего - BUCK-BOOST)
Преимущество бестрансформаторных блоков питания и преобразователей заключаются в следующем:
Нет необходимости мотать трансформатор, преобразование осуществляется за счёт дросселя и ключей;
Следствием из предыдущего являются малые габариты источников питания.
Недостатки:
Отсутствие гальванический развязки, при неисправностях ключей приводит к появлению напряжения первичного источника питания. Это критично особенно если в его роли выступает сеть 220 В;
Опасность поражения электрическим током, как следствие гальванической связи;
Большие габариты дросселя на преобразователях высокой мощности ставят под сомнение целесообразность использования этой топологии блоков питания. При сопоставимых массогабаритных показателях можно использовать уже трансформаторный, гальванически развязанный преобразователь.
В отечественной литературе часто встречается сокращение «ИППН», которое расшифровывается как: Импульсный Понижающий (или повышающий, или и то, и другое) Преобразователь Напряжения
В качестве основы можно выделить три базовые схемы.
1. ИППН1 - Понижающий преобразователь, в англоязычной литературе - BUCK DC CONVERTER или Step-down.
2. ИППН2 - Повышающий преобразователь, в англоязычной литературе - BOOST DC CONVERTER или Step-up.
3. ИППН3 - Инвертирующий преобразователь с возможностью как повышения, так и понижения напряжения, BUCK-BOOST DC CONVERTER.
Как работает импульсный понижающий преобразователь?
Начнем с рассмотрения принципа работы первой схемы - ИППН1 .
В схеме можно выделить два питающих контура:
1. «+» от источника питания подаётся через закрытый ключ (транзистор любого типа соответствующей проводимости) на Lн (накопительный дроссель), далее ток протекает через нагрузку к «-» источника питания.
2. Второй контур образован из Д, дросселя Lн и подключенной нагрузки Rн.
Когда ключ замкнут, ток проходит по первому контуру, через катушку индуктивности протекает ток, и в её магнитном поле накапливается энергия. Когда мы выключаем (размыкаем) ключ, энергия, запасённая в катушке, рассеивается в нагрузку, при этом ток протекает через второй контур.
Напряжение на выходе (нагрузке) такого преобразователя равняется
Uвых=Uвх*Ku
Ku - это коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов силового ключа.
Ku=Uвых/Uвх
Коэффициент заполнения «D» - это отношение времени, когда ключ открыт, к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.
ВАЖНО: Для ИППН1 Ku=D. Это значит, что пределы регулирования данного стабилизатора приблизительно равны - 0…Uвых.
Напряжение на выходе такого преобразователя аналогично по полярности с напряжением на входе.
Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения
ИППН2 - способен повышать напряжение от напряжения питания до величины в десятки раз превышающей его. Схематически он состоит из тех же элементов что и предыдущая.
Любой преобразователь подобного типа в своем составе имеет три основных действующих компонента :
Управляемый ключ (биполярный, полевой, );
Неуправляемый ключ (выпрямительный диод);
Накопительная индуктивность.
Ток всегда протекает через индуктивность, изменяется лишь его величина.
Для того, чтобы понять принцип работы этого преобразователя, нужно вспомнить закон коммутации для катушки индуктивности: "Ток через катушку индуктивности не может измениться моментально".
Это вызвано таким явлением как ЭДС самоиндукции или противо-ЭДС. Так как электромагнитное поле индуктивности препятствует скачкообразному изменению тока, катушку можно представить в виде источника питания. Тогда в это схеме, когда ключ замыкается через катушку начинает протекать ток большой величины, но, как уже было сказано резко он возрасти не может.
Противо-ЭДС это явление, когда на концах катушки возникает ЭДС противоположное тому, что приложено. Если представить это на схеме для наглядности, придется представить катушку индуктивности в виде источника ЭДС.
Под цифрой «1» обозначено состояние схемы, когда ключ замкнут. Обратите внимания что источник питания и условное обозначение ЭДС катушки соединены положительными выводами последовательно, т.е. величины их ЭДС вычитаются. В таком случае индуктивность препятствует прохождению электрического тока, а вернее замедляет его рост. По мере роста, через определенный постоянной времени промежуток, величина противо-ЭДС уменьшается, а ток через индуктивность нарастает.
Лирическое отступление:
Величина ЭДС самоиндукции, как и любое другое ЭДС измеряется в Вольтах.
В этот промежуток времени основной ток протекает по контуру: источник питания-индуктивность-замкнутый ключ.
Когда ключ SA размыкается, схема 2. Ток начинает течь по такому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Так как сопротивление нагрузки, чаще значительно больше, чем сопротивление канала замкнутого транзистора. При этом снова - ток, протекающий через индуктивность не может измениться скачком, индуктивность всегда стремится поддержать направление и величину тока, поэтому возникает снова противо-ЭДС, но уже в обратной полярности.
Обратите внимание, как на второй схеме подключены полюса Источника питания и замещающего катушку источника ЭДС. Они соединены последовательно противоположными полюсами, а величины этих ЭДС складываются.
Таким образом происходит повышение напряжения.
Во время процесса накопления энергии индуктивности нагрузка питается энергией, которая ранее была запасена в сглаживающем конденсаторе.
Коэффициент преобразования в ИППН2 равен
Как видно из формулы - чем больше D - коэффициент заполнения, тем больше выходное напряжение. Полярность выходного питания, совпадает со входным у данного типа преобразователя.
Как работает инвертирующий преобразователь напряжения
Инвертирующий преобразователь напряжения довольно интересное устройство, ведь он может работать, как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения. Однако стоит учитывать, что полярность его выходного напряжения противоположна входному, т.е. положительный потенциал оказывается на общем проводе.
Инвертирование также заметно по направлению, в котором включен диод Д. Принцип работы немного похожу на ИППН2. В то время, когда ключ Т замкнут происходит процесс накопления энергии индуктивности, питание от источника не попадает в нагрузку из-за диода Д. Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает рассеиваться в нагрузке.
Ток продолжает течь через индуктивность, возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т.е. в узле соединения эмиттера транзистора (сток, если ), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.
Коэффициент преобразования ИППН3 равен:
Путем несложных подстановок коэффициента заполнения в формулу, мы определим, что до величины D в 0.5, этот преобразователь выступает в роли понижающего, а свыше - повышающего.
Как управлять такими преобразователем?
Описывать все варианты построения ШИМ-контроллеров можно бесконечно долго, об этом можно написать несколько томов технической литературы. Я же, хочу ограничиться перечислением нескольких простых вариантов:
1. Собрать схему несимметричного мультивибратора. Вместо VT3 подключается транзистор в схемах ИППН-ов.
2. Чуть более сложный вариант, но более стабильный в плане частоты - это (для увеличения нажмита на картинку).
На схеме сделать правки, VT1 - это транзистор, изменяем схему так, чтобы на его месте был транзистор ИППН.
3. Вариант использовать , так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут . Есть прекрасный видеоурок об этом.
Выводы
Импульсные преобразователи напряжения - это очень важная тема в отрасли блоков питания для радиоэлектронной аппаратуры. Подобные схемы используются повсеместно, а, в последнее время, с ростом «самодельщиков» или как это сейчас модно называть «DIY’щиков» и популярностью сайта aliexpress такие преобразователи стали особенно популярны и востребованы, вы можете заказать готовую плату ставшего уже классическим, преобразователя на LM2596 и подобных всего за пару долларов, при этом вы получите возможность регулировки напряжения или тока, или и того и другого.
Другая популярная плата - это mini-360
Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствует транзистор. Дело в том, что он встроен в микросхему, кроме него там находится ШИМ-контроллер, цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения и другое. Тем не менее эти схемы могут усиливаться установкой дополнительного транзистора.
Если вам интересно спроектировать схему под ваши нужды, тогда более подробно с расчётными соотношениями вы можете ознакомится в следующей литературе:
«Компоненты для построения источников питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, Группа компаний «Симметрон»
«Стабилизированные транзисторные преобразователи» В.С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.
в настоящей главе в первую очередь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения, как правило, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умножителя напряжения. Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а также получить на выходе преобразователя напряжение другого знака. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик - обычно единицы, реже десятки мА.
Задающий генератор бестрансформаторных преобразователей напряжения может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1.1) выполнен на основе симметричного мультивибратора. В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм; С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы - маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.
Рис. 1.1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 - задающий генератор; 2 - типовой блок усилителя
Бестрансформаторный преобразователь напряжения состоит из двух типовых элементов (рис. 1.2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряжения (рис. 1.1, 1.2). Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное
напряжение 22 В при токе нагрузки до 100 мА (параметры элементов: R1=R4=390 Ом, R2=R3=5,6 кОм, С1=С2=0,47 мкФ). В блоке 1 использованы транзисторы КТ603А - Б; в блоке 2 - ГТ402В{Г) и ГТ404В{Г).
Схема бестрансформаторного преобразователя с удвоением напряжения
Схемы преобразователей напряжения на основе типового блока
Преобразователь напряжения , построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1.1), можно применить для получения выходных напряжений разной полярности так, как это показано на рис. 1.3.
Для первого варианта на выходе формируются напряжения -1-10 Б и -10 Б; для второго - -1-20 Б и -10 Б при питании устройства от источника напряжением 12 Б.
Для питания тиратронов напряжением примерно 90 Б применена схема преобразователя напряжения по рис. 1.4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=1 кОм,
R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ . Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200 В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.
Рис. 1.4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем
Рис. 1.5. Схема инвертора напряжения
Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1.1). На выходе устройства (рис. 1.5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания . По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.
Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 1.6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 -VD4) .
Блок 1: R1=R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; С1=С2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.
Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.
Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12 Б (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 Б; при 50 Ом - до 10 Б; а при 10 Ом -до 7 Б.
Рис. 1.6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности
Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений
Преобразователь напряжения (рис. 1.7) позволяет получить на выходе два разнополярных напр’яжения с общей средней точкой . Такие напряжения часто используют для питания операционных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его величины изменяются одновременно.
Транзистор VT1 - КТ315, диоды VD1 и У02-Д226.
Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.
Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.
Выходное сопротивление удвоителя - 10 Ом. В режиме холостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличении тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 Б.
Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 1.8) выполнен на двух /ШО/7-элементах . К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное напряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов - при низковольтном питании) меньше входного.
Рис. 1.8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах
Похожая схема преобразователя изображена на следующем рисунке (рис. 1.9). Преобразователь содержит задающий генератор на /СМО/7-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов . На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: -i-15 Б при токе нагрузки 13…15 мЛ и -15 Б при токе нагрузки 5 мА.
На рис. 1.10 показана схема выходного узла бестрансформаторного преобразователя напряжения . Этот узел фактически
Схема преобразователя напряжения для формирования разнополярных напряжений с задающим генератором на КМОП-элементах
Рис. 1.10. Схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения
является усилителем мощности. Для управления им можно использовать генератор импульсов, работающий на частоте ^0 кГц.
Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощности потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближается к 18 Б (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 Б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротивление - около 10 Ом.
При работе узла от задающего генератора на КМОП-эпе-ментах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ограничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор сопротивлением в несколько кОм.
Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах . Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 Б, и такая схема показана на рис. 1.11. На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 - VD4 и конденсаторы С2 - С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 - параметрический стабилизатор напряжения.
Рис. 1.11. Схема преобразователя напряжения для варикапов
Рис. 1.12. Схема преобразователя напряжения на КМОП-микросхеме
Простой преобразователь напряжения на одной лишь К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис. 1.12.
Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 1.12)
| Uпит | Iвых, мА | Uвых, В |
| 10 | 5 | 17 |
| 10 | 10 | 16 |
| 10 | 15 | 14,5 |
| 15 | 5 | 27,5 |
| 15 | 10 | 26,5 |
| 15 | 15 | 25,5 |
Схема выходного каскада формирователя двухполяр-ного напряжения
Для преобразования напряжения одного уровня в двухпо-лярное выходное напряжение может быть использован преобразователь с выходным каскадом по схеме на рис. 1.13 . При входном напряжении преобразователя 5 Б на выходе получаются напряжения -i-8 Б и -8 Б при токе нагрузки 30 мА. КПД преобразователя составил 75%. Значение КПД и величину выходного напряжения можно увеличить за счет использования в выпрямителе-умножителе напряжения диодов Шотки. При увеличении напряжения питания до 9 Б выходные напряжения возрастают до 15 Б.
Приблизительный аналог транзистора 2N5447 - КТ345Б; 2N5449 - КТ340Б. В схеме можно использовать и более распространенные элементы, например, транзисторы типа КТ315, КТ361.
Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть использованы самые разнообразные генераторы сигналов прямоугольной формы. Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 1.14) . Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без каскадов дополнительного усиления. Генератор на микросхеме DA1 {КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель напряжения. К выходу умножителя напряжения подключен рези-стивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1. Параметры этого делителя подобраны таким образом, что, если выходное напряжение по абсолютной величине превьюит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений резисторов R3 и R4.
Схема преобразователя-инвертора напряжения с задающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1
Характеристики преобразователя - инвертора напряжения (рис. 1^14) приведены в табл. 1.2.
На следующем рисунке показана еще одна схема преобразователя напряжения на мтросхеме КР1006ВИ1 (рис. 1.15). Рабочая частота задающего генератора 8 кГц. На его выходе включен транзисторный усилитель и выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. При напряжении источника питания 12 Б на выходе преобразователя получается 20 Б. Потери преобразователя обусловлены падением напряжения на диодах выпрямителя-удвоителя напряжения.
Таблица 1.2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 1.14)
| Uпит, В | Iвых, мА | Iпотреб, мА | КПД, % |
| 6 | 3,5 | 13 | 27 |
| 7 | 6 | 22 | 28 |
| 8 | 11 | 31 | 35 |
| 10 | 18 | 50 | 36 |
| 12 | 28 | 70 | 40 |
Схема преобразователя напряжения с микросхемой КР1006ВИ1 и усилителем мощности
На основе этой же микросхемы (рис. 1.16) может быть создан инвертор напряжения . Рабочая частота преобразования - 18 кГц, скважность импульсов - 1,2.
Как и для других подобных устройств, выходное напряже-ние преобразователя существенно зависит от тока нагрузки.
ТТЛ и /СМОГ/-микросхемы могут быть использованы для выпрямления тока. Развивая тему, автор этой идеи Д. Катберт предложил бестрансформаторный преобразователь напряжения-инвертор на основе ГГ//-микросхем (рис. 1.17).
Устройство содержит две микросхемы: DDI и DD2. Первая из них работает в качестве генератора прямоугольных импульсов с частотой 7 кГц (элементы DDI .1 и DDI .2), к выходу которого подключен инвертор DD1.3 - DDI.6. Вторая микросхема (DD2) включена необычным образом (см. схему): она выполняет функцию
Схема формирователя напряжения отрицательной полярности
Рис. 1.17. Схема инвертора напряжения на основе двух микросхем
диодов. Все ее элементы-инверторы для увеличения нагрузочной способности преобразователя включены параллельно.
В результате такого включения на выходе устройства получается инвертированное напряжение-U, примерно равное (по абсолютной величине) напряжению питания. Напряжение питания устройства с 74НС04 может быть от 2 до 7 В. Примерный отечественный аналог - ГГ//-микросхема типа К555ЛН1 (работает в более узком диапазоне питающих напряжений) или /СМОC/-микросхем а КР1564ЛН1.
Максимальный выходной ток преобразователя достигает 10 мА. При отключенной нагрузке устройство практически не потребляет ток.
В развитие рассмотрен>ной выше идеи использования защитных диодов /C/WO/7-микросхем, имеющихся на входах и выходах /СЛ//0/7-элементов, рассмотрим работу преобразователя напряжения , выполненного на двух микросхемах DDI и DD2 типа К561ЛА7 {р\лс. 1.18). На первой из них собран генератор, работающий на частоте 60 кГц. Вторая микросхема выполняет функцию мостового вьюокочастотного выпрямителя.
Рис. 1.18. Схема точного преобразователя полярности на двух микросхемах К561ЛА7
В процессе работы преобразователя на выходе формируется напряжение отрицательной полярности, с большой точностью при вьюокоомной нагрузке повторяющее напряжение питания во всем диапазоне паспортных значений питающих напряжений (от 3 до 15 8).
Загрузка...
