Преобразователь напряжения: описание устройства, принцип работы

Преобразователь напряжения: назначение, функции и области применения. Что такое инверторный преобразователь напряжения. Классификация по характеру преобразования, способу управления и типу схем.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 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.

Принцип действия понижающего преобразователя

Рис. 1. Принцип действия понижающего 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 RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Принцип действия

ИПН 24-12Классические преобразователи с регулировкой выходного напряжения, как правило, управляют сопротивлением элемента, выполняющего регулировочную роль (транзистор или тиристор), через него постоянно протекает электрический ток, который и заставляет данный элемент нагреваться, при этом теряется значительная часть мощности. Главное преимущество такого устройства это минимум запчастей, простота, и отсутствие помех. Все остальные характеристики больше относятся к недостаткам.

Импульсный преобразователь напряжения использует регулировочный элемент лишь в виде ключа. То есть он работает в двух режимах:

  • Закрыт, и не пропускает электрический ток;
  • Открыт, и имеет минимальное проходное сопротивление.

При этом каждый из режимов обладает низким выделением тепла, что даёт возможность показывать высокий коэффициент полезного действия (КПД). Нагрузка же получает непрерывно электроэнергию за счёт накопления и хранения её в таких электрических резервуарах, как:

  1. Индуктивность (катушках);
  2. Конденсаторах.

Регулировка происходит за счёт изменения времени замкнутого состояния ключевого элемента. Снижение габаритов, а также массы устройств, возможно только за счёт повышения частоты, от 20 кГц до 1 МГц. Импульсные устройства могут формировать на выходе как пониженное напряжение, так и с изменением полярности. За счёт применения в них трансформаторов, работающих на высоких частотах позволяет:

  1. Качественно изолировать вход от выхода;
  2. Получить на выходе устройства несколько выходных напряжений.

Как и любое устройство импульсный преобразователь обладает и недостатками, которыми являются:

  1. Сложность схемы и наличие большего количества запчастей, а значит потенциально существует больше причин поломки;
  2. Являются источниками помех.

Однако постоянное развитие технологий в этом направлении снижают эти недостатки к минимальным значениям.

Принцип работы импульсных преобразователей

На сегодняшний день существует множество импульсных преобразователей постоянного напряжения, отличающихся количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и прочими характеристиками. Однако наиболее простыми, а следовательно, и наиболее популярными являются всего четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рисунок 2). Эти преобразователи используют одинаковый принцип работы, имеют идентичное количество компонентов и отличаются лишь способом коммутации накопительного дросселя L1, от режима работы которого и зависят все характеристики схемы.

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S1 замыкается, и к дросселю L1 прикладывается некоторое напряжение VL1, под действием которого за время tON его ток возрастает на величину dI1 (формула 2, рисунок 3):

$$dI_{1}=frac{V_{L1}}{L_{1}}times t_{ON},qquad{mathrm{(}}{2}{mathrm{)}}$$

где L1 – индуктивность обмотки, активной на первом этапе.

При этом к диоду VD1 приложено напряжение обратной полярности, поэтому ток через него не протекает. В конце этого интервала ток дросселя достигает максимального значения IMAX1, а это значит, что в его магнитопроводе накапливается энергия E (формула 3):

$$E=frac{I_{MAX1}^2times L_{1}}{2}qquad{mathrm{(}}{3}{mathrm{)}}$$

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Поскольку на первом этапе энергия в дросселе увеличивается, то его очень часто называют этапом накопления или заряда дросселя.

После размыкания ключа S1 на выводах всех обмоток дросселя формируется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, присутствовавшей на первом этапе, это означает, что дроссель L1 теперь становится не потребителем, а источником электрической энергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который и обеспечивает путь протекания тока на втором этапе, называемом этапом возврата, или разряда дросселя.

Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S1 также будет максимальным, однако его величина IMAX2 может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):

$$E=frac{I_{MAX2}^2times L_{2}}{2},qquad{mathrm{(}}{4}{mathrm{)}}$$

где L2 – индуктивность обмотки, активной на втором этапе.

Дроссель понижающей, повышающей и инвертирующей схем обычно содержит только одну обмотку, поэтому L1 = L2, а значит и IMAX1 = IMAX2 = IMAX. А вот для обратноходовой схемы индуктивности L1 и L2 чаще всего отличаются, поэтому ток IMAX2 можно определить (формула 5), приравняв формулы 3 и 4 :

$$I_{MAX2}=I_{MAX1}times sqrt{frac{L_{1}}{L_{2}}}=I_{MAX1}times frac{N_{1}}{N_{2}},qquad{mathrm{(}}{5}{mathrm{)}}$$

где N1 и N2 – количество витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток.

Вторую часть формулы 5 можно легко получить, вспомнив, что индуктивность обмотки пропорциональна квадрату количества витков (формула 6):

$$L_{1,2}=N_{1,2}^2times A_{L},qquad{mathrm{(}}{6}{mathrm{)}}$$

где AL – конструктивный параметр магнитопровода.

После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне VL2, под действием которого ток дросселя за время tOFF уменьшится на величину dI2 (формула 7):

$$dI_{2}=frac{V_{L2}}{L_{2}}times t_{OFF}qquad{mathrm{(}}{7}{mathrm{)}}$$

В квазиустановившемся режиме, когда отсутствуют какие-либо переходные процессы как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, дроссель на втором этапе преобразования должен отдать всю энергию, накопленную на первом интервале. Это означает, что к моменту начала следующего цикла его ток должен быть таким же, как и в начале предыдущего. Для схем с однообмоточным дросселем dI1 = -dI2, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются Законом полного тока (формула 8):

$$dI_{1}times N_{1}=-dI_{2}times N_{2}qquad{mathrm{(}}{8}{mathrm{)}}$$

Подставляя в формулу 8 соотношения 2 и 7, с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее величины напряжений на выводах обмоток дросселя с отношением длительностей основных этапов преобразования:

$$frac{V_{L1}}{N_{1}}times t_{ON}=-frac{V_{L2}}{N_{2}}times t_{OFF}qquad{mathrm{(}}{9}{mathrm{)}}$$

Формула 9 является основой для получения регулировочной характеристики преобразователя – зависимости выходного напряжения от относительной длительности первого этапа преобразования D = tON/(tON + tOFF). Однако для того чтобы получить эти зависимости, далее необходимо рассматривать каждую схему в отдельности.

Классификация и виды импульсных преобразователей

Выпускаемые преобразователи можно разделить на три основные группы по роду тока:

  1. Конверторы. Выполняют преобразование переменного напряжения (АС) в постоянное (DC). Они применяются в основном в промышленности и в быту для изолированного питания устройств потребителей, где используется переменное напряжение 380/220 Вольт с частотой 50 Гц;
  2. Инверторы. Они постоянное напряжение преобразуют в переменное. Применяются в устройствах бесперебойного питания, а также сварочных аппаратах где за счёт такого преобразования есть возможность уменьшения габаритов, а значит и веса устройств.
  3. Конверторы постоянного напряжения. Преобразуют DC в DC. Применяются для питания аккумуляторных батарей и их подзарядки в системах где питание происходит от одного конвертора AC/DC, а каждый уже непосредственный аккумулятор получает за счёт конвертора DC/DC нужное конкретно для него напряжение.

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

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 импульсные стабилизаторы и со смешанным регулированием.

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

Особенности резистивных преобразователей

Еще один распространенный тип девайсов — резистивные преобразователи. Рассмотрим их особенности подробнее.

Данные преобразователи приспособлены к изменению собственного электрического сопротивления при воздействии той или иной измеряемой величины. Также они могут осуществлять корректировку углового и линейного перемещения. Чаще всего данные преобразователи включаются в системы автоматизации с датчиками давления, температуры, уровня освещенности, измерения интенсивности различных видов излучения. Основные преимущества резистивных преобразователей:

— надежность;

— отсутствие зависимости между точностью проводимых измерений и стабильностью питающего напряжения.

Существует большое количество разновидностей соответствующих устройств. В числе самых популярных — датчики температуры. Изучим их особенности.

Назначение преобразователя

Импульсные преобразователи используются для питания устройств различного назначения. Основная сфера применения — малогабаритные устройства, мощные стабилизаторы. Всем известны зарядные устройства с габаритами, сравнимыми с сетевой вилкой для мобильных устройств, а также инверторные сварочные аппараты, которые имеют в несколько раз пониженный, чем у трансформаторных устройств, вес и имеющие более высокие потребительские свойства.

Сварочный трансформатор

Обратите внимание! Использование инверторных преобразователей позволяет повысить экономичность устройств и снизить энергопротребление.

Инверторный сварочный аппарат

Методы регулировки

Существуют три вида регулирования в системах импульсных преобразователей:

  1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) Распространённый метод, который применяется в массовом производстве управляющих микросхем;
  2. Частотно-импульсное регулирование (ЧИМ). Здесь продолжительность когда ключ находится во включенном режиме должна быть согласована с периодом колебаний в контуре, обеспечивающем малые значения тока и напряжения на ключе в момент переключения. Используется там, где реализованы резонансные схемы.
  3. Комбинированный вид. Метод свойственен системам, в которых используется автоколебательный процесс, а частота переключения находится в зависимости и от напряжений на входе, и выходе преобразователя, и от величины тока в цепи потребителя;
  4. Триггерный метод. Используем исключительно в схеме понижающего регулятора, в котором необходимо, чтобы при закрытом состояния ключа, то есть транзистора, величина напряжения в нагрузке увеличивалась.

Ремонт прибора

Ремонт этих устройств для преобразования одного вида напряжения в другой, лучше производить в сервисных центрах, где персонал имеет высокую квалификацию и впоследствии предоставит гарантии выполненных работ. Чаще всего любые современные качественные преобразователи состоят из нескольких сотен электронных деталей и если нет явных сгоревших элементов, то найти поломку и устранить её будет очень сложно.

Некоторые же китайские недорогие устройства данного типа, вообще, в принципе лишены возможности их ремонта, чего нельзя сказать об отечественных производителях. Да может они немного громоздкие и не компактные, но зато подлежат ремонту, так как многие из их деталей можно заменить на аналогичные.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения [4.1] показаны на рис. 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 ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Схемы стабилизированных преобразователей напряжения принципиальная схема

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А  2N4903 — КТ814.

Примечания

  1. ГОСТ Р 50369-92 Электроприводы. Термины и определения
  2. С. Ю. Забродин. Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.

  3. С. Ю. Забродин. Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.

  4. С. Ю. Забродин. Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

Это заготовка статьи об электричестве. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
  3. Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
  4. Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
  5. Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
  6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
  8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

  1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
  2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
  3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

•••

Источник питания для питания портативных и карманных приемников

Бестрансформаторный источник питания (рис. 23) предназначен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 В. Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9В и токе нагрузки 50 мА источник питания потребляет от сети около 8 мА.

принципиальная схема ИП для питания портативных и карманных приемников

Рис. 23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 — VD4 (рис. 23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время 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, C3.

При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор C3 большой емкости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на C3 — увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и C3 не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора C3 через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора C3 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 подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...