Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

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.

Содержание статьи

• Бестрансформаторные схемы

• Основные разновидности импульсных преобразователей напряжения

• Как работает импульсный понижающий преобразователь

• Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения

• Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

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 ШИМ-контроллером и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в светодиодных лампочках 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.

Основные разновидности импульсных преобразователей напряжения

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 диода 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, IGBT, MOSFET транзисторы );

• 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

Ku=1/(1-D)

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 транзистор полевой ), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.

Коэффициент преобразования ИППН3 равен:

Ku=D/(1-D)

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 ШИМ на NE555 (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 микроконтроллер , так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут AVR микроконтроллеры . 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.