Понижающий преобразователь напряжения. Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания

Один из самых востребованных приборов в мастерской начинающего радиолюбителя - это регулируемый блок питания. О том, как самостоятельно собрать регулируемый блок питания на микросхеме MC34063 я уже рассказывал . Но и у него есть ограничения и недостатки. Во-первых, это мощность. Во-вторых, отсутствие индикации выходного напряжения.

Здесь я расскажу о том, как с минимумом временных затрат и усилий собрать регулируемый блок питания 1,2 - 32 вольт и максимальным выходным током до 4-ёх ампер.

Для этого нам понадобится два очень важных элемента:

Трансформатор, с выходным напряжением до ~25...26 вольт. О том, как его подобрать и где найти, я расскажу далее;

Готовый модуль регулируемого DC-DC преобразователя со встроенным вольтметром на базе микросхемы XL4015 .

Наиболее распространены и дёшевы модули на базе микросхем XL4015 и LM2956. Самый дешёвый вариант - это модуль без цифрового вольтметра. Для себя я купил несколько вариантов таких DC-DC преобразователей, но более всех мне понравился модуль на базе микросхемы XL4015 со встроенным вольтметром. О нём и пойдёт речь.

Вот так он выглядит. Покупал его на Алиэкспресс, вот ссылка . Можно подобрать подходящий по цене и модификации через поиск .

Обратная сторона платы и вид сбоку.

Основные характеристики модуля:

Не будем забывать, что производители любят завышать характеристики своих изделий. Судя по отзывам, наиболее оптимальный вариант использования данного DC-DC модуля - это работа при входном напряжении до 30 вольт и потребляемом токе до 2 ампер.

Управление DC-DC модулем.

На печатной плате DC-DC модуля установлены две кнопки управления и регулятор выходного напряжения - обычный многооборотный переменный резистор .

Короткое нажатие кнопки 1 отключает/включает индикацию вольтметра. Своеобразный диммер. Удобно при запитке от АКБ.

Коротким нажатием на кнопку 2 можно переключать режим работы вольтметра, а именно, отображения входного или выходного напряжения на индикаторе. При использовании совместно с АКБ можно контролировать напряжение батареи и не допускать глубокого разряда.

Калибровка показаний вольтметра.

Сначала кнопкой 2 выбираем, какое напряжение отображать на дисплее вольтметра (входное или выходное). Затем мультиметром замеряем постоянное напряжение (входное или выходное) на клеммах. Если оно отличается от величины напряжения, отображаемого вольтметром, то начинаем калибровку.

Жмём 3-4 секунды на 2-ую кнопку. Показания на дисплее должны потухнуть. Отпускаем кнопку. При этом показания на дисплее появятся и начнут моргать.

Далее кратковременными нажатиями на кнопки 1 и 2 уменьшаем или увеличиваем величину отображаемого напряжения с шагом 0,1V. Если надо увеличить показания, например, с 12,0V до 12,5V, то жмём 5 раз на кнопку 2. Если надо уменьшить с 12V до 11,5V, то, соответственно, жмём 5 раз на кнопку 1.

После того, как калибровка завершена, жмём секунд 5 на кнопку 2. При этом показания на дисплее вольтметра перестанут моргать - калибровка завершена. Также можно ничего не делать и секунд через 10 вольтметр сам выйдет из режима калибровки.

Для того чтобы собрать блок питания, кроме самого DC/DC-модуля нам понадобится трансформатор , а также небольшая схема - диодный мост и фильтр.

Вот схема, которую нам предстоит собрать.

(Картинка кликабельна. По клику откроется в новом окне)

О трансформаторе Т1 я расскажу чуть позднее, а сейчас разберёмся с диодным мостом VD1-VD4 и фильтром C1. Эту часть схемы я буду называть выпрямителем . Далее на фото - необходимые детали для его сборки.

Разводку будущих печатных дорожек на плате я рисовал маркером для печатных плат . Перед этим сделал набросок расположения элементов на плате, развёл соединительные проводники. Затем по шаблону отметил на заготовке места сверления. Сверлил до травления в хлорном железе, так как, если сверлить после травления, могут остаться зазубрины вокруг отверстий и легко повредить окантовку около отверстий.

Затем высушил заготовку после травления, смыл защитный слой лака от маркера "Уайт-спиритом". После этого вновь отмыл и высушил заготовку, зачистил медные дорожки мелкой наждачной бумагой и залудил все дорожки припоем. Вот, что получилось.

Немного о просчётах. Так как делал всё быстро и на коленке, то без "косяков", естественно, не обошлось. Во-первых, сделал плату двухсторонней, а не надо было. Дело в том, что отверстия то без металлизации, и запаять потом тот же разъём в такую двухстороннюю печатную плату непростая задача. С одной стороны контакты запаяешь без проблем, а вот с другой стороны платы уже никак. Так что намучился.

Готовый выпрямитель.

Вместо сетевого выключателя SA1 временно впаял перемычку. Установил входные и выходные разъёмы, а также разъём для подключения трансформатора. Разъёмы устанавливал в расчёте на модульность и удобство пользования, чтобы впредь можно было быстро и без пайки соединять блок выпрямителя с разными DC-DC модулями.

В качестве плавкого предохранителя FU1 использовал готовый с держателем. Очень удобно. И контакты под напряжением прикрыты, и предохранитель заменить без пайки не проблема. По идее подойдёт предохранитель в любом исполнении и типе корпуса.

В качестве диодного моста (VD1 - VD4) я использовал сборку RS407 на максимальный прямой ток 4 ампера. Аналоги диодного моста RS407 - это KBL10, KBL410. Диодный мост можно собрать и из отдельных выпрямительных диодов.

Тут стоит понимать, что сам регулируемый DC-DC модуль рассчитан на максимальный ток 5 ампер, но такой ток он сможет выдержать только в том случае, если на микросхему XL4015 установить радиатор, да, и для диода SS54, что на плате, ток в 5А - максимальный !

Также не будем забывать, что производители склонны завышать возможности своих изделий и срок их службы при таких нагрузках. Поэтому для себя я решил, что такой модуль можно нагружать током до 1 - 2 ампер. Речь идёт о постоянной, долгосрочной нагрузке, а не периодической (импульсной).

При таком раскладе, диодный мост можно выбрать на прямой ток 3-4 ампера. Этого должно хватить с запасом. Напомню, что если собирать диодный мост из отдельных диодов, то каждый из диодов, входящих в состав моста должен выдерживать максимальный потребляемый ток. В нашем случае это 3-4 ампера. Вполне подойдут диоды 1N5401 - 1N5408 (3А), КД257А (3А) и др.

Также для сборки потребуется электролитический конденсатор C1 ёмкостью 470 - 2200 мкФ. Конденсатор лучше выбрать на рабочее напряжение 63V, так как максимальное входное напряжение DC-DC преобразователя может быть до 36V, а то и 38...40V. Поэтому разумней поставить конденсатор на 63V. С запасом и надёжно.

Тут опять же стоит понимать, что всё зависит от того, какое напряжение у вас будет на входе DC-DC модуля. Если, например, планируется использовать модуль для питания 12-ти вольтовой светодиодной ленты, а на входе DC-DC модуля будет напряжение только 16 вольт, то электролитический конденсатор можно поставить с рабочим напряжением 25 вольт или более.

Я же поставил по максимуму, так как данный модуль и собранный выпрямитель, я планировал использовать с разными трансформаторами, у которых разное выходное напряжение. Следовательно, чтобы каждый раз не перепаивать конденсатор, установил его на 63V.

В качестве трансформатора T1 подойдёт любой сетевой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (Ⅰ) сетевая и должна быть рассчитана на переменное напряжение 220V, вторичная обмотка (Ⅱ) должна выдавать напряжение не более 25 ~ 26 вольт.

Если взять трансформатор, на выходе которого будет более 26 вольт переменного напряжения, то после выпрямителя напряжение может быть уже более 36 вольт. А, как мы знаем, модуль DC-DC преобразователя рассчитан на входное напряжение до 36 вольт. Также стоит учитывать тот момент, что в бытовой электросети 220V иногда бывает чуть завышенное напряжение. Из-за этого, пусть и кратковременно, на выходе выпрямителя может образоваться довольно существенный "скачок" напряжения, который превысит допустимое напряжение в 38...40 вольт для нашего модуля.

Ориентировочный расчёт выходного напряжения U вых после диодного выпрямителя и фильтра на конденсаторе:

U вых = (U T1 - (V F *2))*1,41 .

Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора T1 (Ⅱ) - U T1 ;

Падение напряжения (Forward Voltage Drop ) на диодах выпрямителя - V F . Поскольку в диодном мосте в каждый полупериод ток течёт через два диода, то V F умножаем на 2. Для диодной сборки дело обстоит также.

Так, для RS407 в даташите я нашёл такую строчку: Maximum forward Voltage drop per bridge element at 3.0A peak - 1 Volt. Это означает, что если через любой из диодов моста течёт прямой ток в 3 ампера, то на нём будет теряться 1 вольт напряжения (per bridge element - на каждый элемент моста). То есть берём значение V F = 1V и так же, как и в случае с отдельными диодами, умножаем величину V F на два, так как в каждый полупериод ток течёт через два элемента диодной сборки.

Вообще, чтобы не ломать голову полезно знать, что V F для выпрямительных диодов обычно составляет около 0,5 вольт. Но это при небольшом прямом токе. С его ростом увеличивается и падение напряжения V F на p-n переходе диода. Как видим, величина V F при прямом токе в 3А для диодов сборки RS407 составляет уже 1V.

Так как на электролитическом конденсаторе С1 выделяется пиковое значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, то итоговое напряжение, которое мы получим после диодного моста (U T1 - (V F *2)) необходимо умножить на квадратный корень из 2, а именно √2 ~ 1.41 .

Таким образом, с помощью этой простой формулы мы сможем определить выходное напряжение на выходе фильтра. Теперь осталось дело за малым - найти подходящий трансформатор.

В качестве трансформатора я использовал силовой броневой трансформатор ТП114-163М.

К сожалению, точных данных на него я не нашёл. Выходное напряжение на вторичной обмотке без нагрузки ~19,4V. Ориентировочная мощность данного трансформатора ~7 Вт. Считал по .

Кроме этого решил сравнить полученные данные с параметрами трансформаторов серии ТП114 (ТП114-1, ТП114-2,...,ТП114-12). Максимальная выходная мощность данных трансформаторов - 13,2 Вт. Наиболее подходящим к трансформатору ТП114-163М по параметрам оказался ТП114-12 . Напряжение на вторичной обмотке в режиме холостого хода - 19,4V, а под нагрузкой - 16V. Номинальный ток нагрузки - 0,82А.

Также в моём распоряжении оказался ещё один трансформатор, также серии ТП114. Вот такой.

Судя по выходному напряжению (~22,3V) и лаконичной маркировке 9М, это модификация трансформатора ТП114-9 . Параметры ТП114-9 такие: номинальное напряжение - 18V; номинальный ток нагрузки - 0,73А.

На базе первого трансформатора (ТП114-163М ) мне удастся сделать регулируемый блок питания 1,2...24 вольт, но это без нагрузки. Понятно, что при подключенной нагрузке (потребителе тока) напряжение на выходе трансформатора просядет, и результирующее напряжение на выходе DC-DC преобразователя также уменьшится на несколько вольт. Поэтому, этот момент надо учитывать и иметь ввиду.

На базе второго трансформатора (ТП114-9 ) уже получится регулируемый блок питания на 1,2...28 вольт. Это также без нагрузки.

Про выходной ток. Производителем заявлено, что максимальный выходной ток DC-DC преобразователя - 5А. Судя по отзывам, максимум 2А. Но, как видим, трансформаторы мне удалось найти достаточно маломощные. Поэтому выжать даже 2 ампера мне вряд ли получится, хотя всё зависит от выходного напряжения DC-DC модуля. Чем меньше оно будет, тем больший ток удастся получить.

Для всякого маломощного "разносола" данный блок питания подойдёт на ура. Вот запитка "веселящего шарика" напряжением 9V и током около 100 mA.

А это уже запитка 12-ти вольтовой светодиодной ленты длиной около 1 метра.

Также существует облегчённая, Lite-версия данного DC-DC преобразователя , которая собрана также на микросхеме XL4015E1.

Единственное отличие, это отсутствие встроенного вольтметра.

Параметры аналогичные: входное напряжение 4...38V, максимальный ток 5А (рекомендуется не более 4,5А). Реально же использовать при входном напряжении до 30V, 30V с небольшим. Ток нагрузки не более 2...2,5А. Если нагружать сильнее, то ощутимо греется и, естественно, снижается срок службы и надёжность.

Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по проектированию (10+)

Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет

Для понижения постоянного напряжения с минимальными потерями и получения стабилизированного выхода применяется следующий подход. Постоянное напряжение преобразуется в импульсы переменной скважности. Далее эти импульсы пропускаются через катушку индуктивности. Энергия накапливается на накопительном конденсаторе. Обратная связь следит за стабильностью выходного напряжения и для этого регулирует скважность импульсов.

Если нет потребности в снижении потерь, то применяется последовательный стабилизатор непрерывного действия .

Принцип работы понижающего преобразователя напряжения основан на свойстве катушки индуктивности (дросселя) накапливать энергию. Накопление энергии проявляется в том, что сила тока через катушку индуктивности как бы имеет инерцию. То есть она не может измениться моментально. Если к катушке приложить напряжение, то сила тока будет постепенно нарастать, если приложить обратное напряжение, то сила тока будет постепенно убывать.

!
В этой самоделке AKA KASYAN сделает универсальный понижающий и повышающий преобразователь напряжения.

Недавно автор собрал литиевый аккумулятор. А сегодня раскроет секрет, для какой цели он его изготовил.

Питающие напряжения для указанных гаджетов имеют очень широкий диапазон.
Например смартфонам нужно всего 5 В, ноутбукам 18, некоторым даже 24 В.
Аккумулятор, изготовленный автором, рассчитан на выходное напряжение в 14,8 В.
Следовательно, необходим преобразователь, способный как повышать, так и понижать начальное напряжение.

Поэтому схема является универсальной. Параметры зависят от емкости конденсаторов, параметров дросселя, диодного выпрямителя и характеристик полевого ключа.

Выходное напряжение задает резистор R3

Как то достаточно давно, сидя в машине подумал: а чего это я заряжаю телефон через автомобильную зарядку установленную в прикуриватель. Ведь «потребителей» частенько бывает больше чем один, да и само гнездо прикуривателя бывает нужно. Сформулировал для себя ТЗ: питание от борт сети через замок зажигания, выход 1-3 порта с током до 2 А. Поискал в интернете и оказалось что я далеко не первый кто озадачился проблемой и даже больше, реализовал ее различными способами.

Для моей затеи нужен был стабилизатор напряжения выдерживающий напряжение бортсети и ток до 3 Ампер. Вариантов реализации на самом деле огромное количество, но все они сводятся к одному - импульсный понижающий преобразователь. Почему импульсный? Потому что у него КПД максимальное. Значить греться в преобразователе будет почти нечему и размеры обещают быть минимальные.

Понижающий преобразователь предназначен для понижения напряжения до необходимого значения. Его силовые элементы работают в ключевом режиме, по простому включено, выключено. В момент включения энергию накапливает дроссель (катушка на сердечнике), в момент когда силовой элемент (транзистор) выключен, дроссель отдает запасенную энергию в нагрузку. Как только дроссель отдаст накопленную энергию, схема контролирующая напряжение на выходе включит силовой транзистор и процесс повторится.
В настоящий момент все зарядные устройства для телефонов и планшетов вставляемые в гнездо прикуривателя выполнены по схеме с импульсным понижающим преобразователем.

Доставка и внешний вид:
Плата пришла в запаянном антистатическом пакете, вроде бы повод порадоваться, но на самом деле должно восприниматься как должное.
Качество пайки вполне себе качественное. Незначительные остатки флюса на обратной стороне на выводах переменного резистора.
Переменный резистор многооборотный, позволяет точно подстроить выходное напряжение.


Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.

Схема проще не придумаешь:

Единственное что у китайцев номиналы дросселя и конденсаторов отличаются. Видимо что есть в наличии, то и ставят. Хуже уже не будет.

На скорую руку припаял провода и нагрузку в виде проволочного резистора 2.2 Ом 10 Вт.
Для ограничения температуры при нагреве, резистор был помещен в воду.


На стенде доступно 2 напряжения 12 Вольт и 24 Вольта. Первое включение провел без нагрузки, для регулировки выходного напряжения, что бы не сжечь платку. Вращая винт резистора добился напряжения на выходе 5 Вольт.
Нагрузка 2.2 Ом подразумевает ток 2.27 Ампера, что укладывается в заявленные параметры платы а так же мои потребности с небольшим запасом, поскольку я раздобыл сдвоенный разъем с дохлой материнской платы:

По 1 Амперу на порт.

10 минут работы под нагрузкой и дикий нагрев платы. Фото с тепловизора:

Обратная сторона

Ахтунг! Температура 115С на диоде и 110С на микросхеме (сторона с деталями) и 105С с обратной стороны.
Температура дросселя около 70С, многовато, но в насыщение не входит.
Предельная температура для диода 150С, а для микросхемы 125С.

Ни в какие ворота не лезет. Начал думать что это брак или в очередной раз я купил дешевую фигню.
и обнаружил что этот преобразователь имеет паршивенькое КПД. А все из за того, что ключевой элемент в микросхеме является биполярный транзистор, который хоть и работает в ключевом режиме, но в открытом состоянии на нем падает прилично напряжения.
Повышение напряжения на входе до 24 Вольт ситуацию никак не спасло.
График КПД при токе нагрузки 3 Ампера:


Т.е. примерно 80% при питании от борт сети автомобиля. Выходит на микросхеме выделяется при нагрузке 3 А 3.7Вт, а еще греется диод и дроссель. Заменой диода (3А 40В) и дросселя (47мкГн), а так же установкой радиатора можно было бы решить проблему с нагревом, но к чему такие усилия, когда за те же деньги можно взять более продвинутые понижающие преобразователи.

Попытка исправить ситуацию:
На обратную сторону через теплопроводящий клей установил небольшой радиатор (распилил радиатор от неисправного блока питания компьютера).




Диод планировал брать там же из «дежурки» С дросселем немного сложнее, но думаю нашел бы с большим сечением обмоточного провода (учитывая приличный разброс индуктивности в применяемых китайцами дросселях).
Попытка включить и снять показания температуры привела к краху =) я перепутал полярность и спалил микросхему. Сэкономил, надо было штук 5 сразу брать на эксперименты, а лучше не брать вообще, ибо этот древний преобразователь настолько ужасен что в конкретно примененной плате даже 50% характеристик не отрабатывает.

На просторах сети обнаружил нетипичное применение микросхеме LM2596 - усилитель звуковой частоты класса D! Сигнал подается на вход 4 «обратная связь». Частота дискредитации правда не более 150 КГц. Ни в коем случае не призыв собирать усилитель на базе преобразователя, для этого есть специализированные микросхемы =)

Выводы неутешительны:
Плата в том виде, как она продается не оправдывает заявленные характеристики. Причем зависимость от тока нагрузки гораздо выше, чем от изменения напряжения. Доработать плату можно заменив половину деталей, но какой в этом смысл?

Все же если вам нужен понижающий преобразователь (step down), то лучшей альтернативой обозреваемому были бы преобразователи собранные на микросхемах: LM2577, LM 2678 и аналогичных. На данный момент я уже заказал несколько плат на пробу

Пока я очень долго планировал поставить на машину USB порты, моя машинка поехала в утиль:(


но все же нашлось еще место, куда бы я поставил преобразователь взамен трансформаторному блоку питания:
Это раз (там где креативненькая надпись):


Это два (передняя планка с USB портами выдрана из старого корпуса от компьютера стенки «корпуса» оргстекло):


Специально к обзору изготовил нагрузочную платку для проверки зарядных устройств (даже спалил парочку, не выдержали нагрузки). на али такие продаются готовые около 1$:

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

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

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов :

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

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

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

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

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.

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.

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 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 RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

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.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

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 Rн 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).

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.

Узлы и схемы импульсных преобразователей

Задающий генератор (рис. 4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 5, 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%.

Рис. 4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения.

Рис. 5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В.

Рис. 6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В.

Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 5, 6) составляет 140 мА .

В выпрямителе преобразователя (рис. 5, 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. 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.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

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. 7).

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В 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. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА , Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150...450 В 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. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80...90 мА образуется напряжение 400...425 В . Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 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. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения (рис. 12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

Рис. 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. 13.

Рис. 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.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения 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.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

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

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту потоку нагрузки, показан на рис. 15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА.

Рис. 15. Схема понижающего преобразователя напряжения.

При изменении сопротивления нагрузки на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%. Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Двуполярный инвертор напряжения

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих операционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 16.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямляется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра С3 и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения — регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

Рис. 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.

Инверторы на специализированных микросхемах

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. 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. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

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 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

Рис. 18. Схема понижающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Рис. 19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 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 S; 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. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5...5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 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 высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 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 J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0...4,5 6) 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 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 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. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно.

Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА . Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В . 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 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 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 мкГч. 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 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

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.

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, 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 подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Схемы устройств для преобразования энергии

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 24 и 25. Они представляют собой понижающие преобразователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизировано.

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

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

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

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 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 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Импульсно-резонансный преобразователь

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.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

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. 27) отличаются высокой эффективностью.