Импульсные преобразователи напряжения. Схема, описание. Реферат: Однотактные импульсные преобразователи

Импульсные преобразователи напряжения. Схема, описание. Реферат: Однотактные импульсные преобразователи

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

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

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



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

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



1. Миниатюрный регулируемый преобразователь

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

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



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

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



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

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



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

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



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

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

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



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

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

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

4. DC-DC конвертор для монтажа на печатную плату

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

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

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

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

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

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

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

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

Вторая схема.


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

Третья схема.
:


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

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

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:


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

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

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

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

Девятая схема.

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

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

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

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

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


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



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

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



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

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

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

8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM

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

ГОУ СПО Кировский Авиационный техникум

ДОКЛАД

по электропитанию СВТ

«Однотактные импульсные преобразователи»

Студента группы ВП-34

Беляева П.Ю.

1 Введение. Некоторые понятия. 3
2 Первичные ИИП 5
5
8
10
2.4 Мостовой преобразователь 11
3 Вторичные ИИП 13
4 Импульсные преобразователи 15
15
4.2 Импульсный однотактный преобразователь постоянного напряжения. Конвертор 16
5 Заключение 19
5.1 Электромагнитные и радиопомехи, создаваемые ИИП. 19
5.2 Интегральные микросхемы для ИИП. 19
5.3 Режим повторных включений ИИП. 20
5.4 ИИП с поддержкой питания 21
6 Литература 22

1 Введение. Некоторые определения

Импульсные (ключевые) источники питания - ИИП (SMPS) - это современные источники питания с высоким КПД. Традиционные линейные источники питания с последовательным регулирующим элементом сохраняют постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения или тока нагрузки благодаря изменению своего сопротивления. Линейный регулятор (стабилизатор) поэтому может быть очень неэффективным. Импульсный источник питания, однако, использует высокочастотный ключ (транзистор) с переменными величинами включенного-выключенного состояний, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Пульсации выходного напряжения, вызванные ключевым режимом, отфильтрованы LC фильтром.

ИИП могут понижать напряжение питания, так же, как и линейные. В отличие от линейного регулятора(стабилизатора), однако, ИИП может также увеличивать напряжение питания и инвертировать выходное напряжение. Типовые схемы применения даются ниже.

Типовое применение для понижающего импульсного (ключевого) регулятора:

Формирование напряжения 5 В для питания цепей ТТЛ от 12 В батареи (особенно если 12 В батарея ограниченной емкости, поскольку ключевые стабилизаторы гораздо более эффективны чем линейные стабилизаторы).

Типовое применение для повышающего импульсного регулятора:

Формирование 25 В от напряжения 5 В для питания программируемого ПЗУ.

Типовое применение для инвертирующего импульсного регулятора:

Формирование двуполярного напряжения от однополярного для питания операционных усилителей.

Формирование отрицательного смещения для микросхем динамического ОЗУ.

Термин импульсный регулятор используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в выходной сигнал также постоянного напряжения той же самой или противоположной полярности более низкого или более высокого напряжения. Импульсные регуляторы используют дроссели и не обеспечивают гальванической развязки между входом и выходом.

Термин импульсный преобразователь используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в один или несколько выходных сигналов также постоянного напряжения более низкого или более высокого напряжения. Импульсные преобразователи используют трансформатор и обеспечивают гальваническую развязку (изоляцию) между входом и выходами, а также между выходами.

Термин импульсный источник питания - ИИП (SMPS) используется для описания импульсных регуляторов и преобразователей.

2 Первичные ИИП

2.1 Прямоходовые и обратноходовые преобразователи

При обсуждении ИИП различной топологи часто упоминаются прямоходовые и обратноходовые преобразователи.

В прямоходовом ИИП источник энергии подает ток к выходному конденсатору, когда ключ замкнут.

Обратноходовой ИИП передает энергию от дросселя к выходному конденсатору, когда ключ разомкнут.

Прямоходовый (forward) преобразователь

Рисунок 1.

Дополнительная обмотка трансформатора прямоходового преобразователя гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится, таким образом ключ (то есть транзистор) выйдет из строя.

Временные диаграммы напряжений и токов для прямоходового преобразователя показаны на рисунке 2.

Намагничивающий ток

Рисунок 2.

Выходное напряжение прямоходового преобразователя равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра и равно:

V out = V in x (n2/n1) x (T on x f)

где:

T on - время включенного состояния ключа
f - частота переключения

Обратноходовый (flyback) преобразователь

Рисунок 3.

Выходное напряжение для обратноходового преобразователя (трапецеидальная форма электрического тока) может быть рассчитано следующим образом:

V out =V in x (n2/n1) x (T on x f) x (1/(1-(T on x f)))

где:
n2 - число витков вторичной обмотки T1
n1 - число витков первичной обмотки T1
T on - время включенного состояния ключа Q1

Cхема управления контролирует V out и управляет скважностью (временем включенного состояния ключа Q1).

Если V in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность.

Заметим, что выходное напряжение меняется, когда изменяется коэффициент заполнения, T on x f. Однако зависимость между выходным напряжением и коэффициентом заполнения - не линейна, как имела место в прямоходовом преобразователе, это - гиперболическая функция.

Ток в обратноходовом преобразователе может иметь или трапецеидальную, или пилообразную форму. Трапецеидальная форма тока будет в том случае, если ключевой транзистор включается до того, как ток во вторичной обмотке спадет до нуля. Если пилообразный ток во вторичной обмотке успевает достичь нуля, то появляется "мертвое время", когда нет никакого тока ни в вторичной обмотке, ни в первичной.



Рисунок 4.

2.2 Двухтактный (Push Pull) преобразователь

Рисунок 5.

Двухтактный преобразователь относится к числу прямоходовых. Как показано на рисунке 5, когда ключ Q1 включен, ток течет через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещен в прямом, а D1 - в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходнй конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра. Когда ключ Q1 выключается, магнитное поле в трансформаторе T1 спадает, и после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток течет через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещен в прямом, а D2 - в обратном направлении. D1 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. После окончания мертвого времени включается ключ Q1 и процесс повторяется.

Имеются два важных соображения, касающиеся двухтактного преобразователя:

  1. Оба транзистора не должны проводить одновременно, поскольку это было бы эквивалентно короткому замыканию источника питания. Это означает, что время включенного состояния каждого ключа не должно превышать половину периода, иначе наложатся проводящие состояния ключей.
  2. Магнитный режим обеих половин первичной обмотки (вольт-секундные площадки) должен быть строго одинаков, иначе трансформатор может войти в насыщение, и это вызвало бы выход из строя ключей Q1 и Q2.

Эти критерии должны удовлетворяться схемой управления и драйвером.

Выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра:

V out = V in x (n2/n1) x f x (T on, q1 + T on, q2)

где:
V out - среднее выходное напряжение - В
V in - Напряжение питания - В
n2 - число витков вторичной обмотки
n1 - половина общего числа витков первичной обмотки
f - частота переключения - Гц
T on, q1 - время включенного состояния ключа Q1 - с
T on, q2 - время включенного состояния ключа Q2 - с

Cхема управления контролирует V out и управляет включенным состоянием ключей Q1 и Q2.

Если V in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность. Временные диаграммы на рисунке 6 показывают токи двухтактного преобразователя.

Рисунок 6.

2.3 Полумостовой преобразователь

Рисунок 7.

Полумостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.

Для полумостового преобразователя выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.

V out = (V in /2) x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)

где:


f - рабочая частота - Гц

Заметим, что T on,q1 должно быть равно T on,q2 и что Q1 и Q2 никогда не должны проводить одновременно.

Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.

2.4 Мостовой преобразователь

Рисунок 8.

Мостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.

Для мостового преобразователя выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.

V out = V in x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)

где:
V out - выходное напряжение - В
V in - входное напряжение - В
n2 - 0.5 x количество витков вторичной обмотки
n1 - количество витков первичной обмотки
f - рабочая частота - Гц
T on,q1 - время включенного состояния ключа Q1 - с
T on,q2 - время включенного состояния ключа Q2 - с

Диагональные пары транзисторов поочередно проводят, таким образом достигая изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора. Это можно пояснить следующим образом - когда включены ключи Q1 и Q4, ток будет течь "вниз" через первичную обмотку трансформатора (втекать в начало обмотки), а когда включены ключи Q2 и Q3, ток будет течь "вверх".

Схема управления контролирует Vout и управляет скважностью импульсов управления ключей Q1, Q2, Q3 и Q4.

Схема управления работает так же, как и для двухтактного и полумостового преобразователя, за исключением того, что надо управлять четырьмя транзисторами, а не двумя.

3 Вторичные ИИП

Импульсный источник питания, который дает низкое напряжение, изолированный от первичного источника, часто называется вторичным ИИП. Типичная блок-схема такого источника питания показана на рисунке 9.



Рисунок 9.

Фильтр, показанный в левой части блок-схемы, необходим для предотвращения попадания в сет помех из источника питания. Он также помогает предохранять цепи ИИП от импульсов напряжения (или скачки напряжения) в сети переменного тока.

Типовая силовая часть такой схемы показана на рисунке 10.



Рисунок 10.

Конденсатор при питании от сети переменного тока 220 В заряжается до напряжения приблизительно 310 В (340 В для 240 В). Резистор R1 - низкоомный (номинал от 2 до 4 Ом), который предохраняет схему от бросков тока при заряде конденсатора C1 во время подачи питания. Q1 - высоковольтный МОП-транзистор, который используется в качестве быстродействующего ключа, переключающего импульс питающего тока в ферритовом высокочастотном трансформаторе T1. Частота переключения обычно лежит в диапазоне от 25 до 250 кГц. Элементы R2 и C2 составляют защитную цепь (snubber), которая уменьшает выбросы напряжения и шумы переключателя. Стабилизация достигается благодаря контролю за выходным напряжением в точке "FB" и регулирования ширины входных импульсов драйвера ключа Q1. Предохранитель FS2 необходим для защиты от короткого замыкания и перегрузки. FS2 иногда заменяется датчиком тока, который запирает при перегрузке драйвер ключа Q1.

4 Импульсные преобразователи

В регулируемом линейном источнике питания силовой трансформатор промышленной частоты используется для изоляции, а затем выпрямитель и линейный регулятор используются для формирования выходного напряжения.

В управляемом ИИП изоляция и регулирование объединены в единое целое, имеющее высокий КПД. В ИИП используется маленький высокочастотный трансформатор, обычно работающий в диапазоне частот от 25 до 250 кГц (хотя в маломощных ИИП до 1 МГц).

Трансформаторы и дроссели, используемые для ИИП, имеют ферритовые сердечники в противоположность листовым железным сердечникам их более низкочастотных двойников. Трансформаторы ИИП вообще имеют меньшее количество витков в обмотках чем трансформаторы промышленной частоты.

4.1 Однотактный преобразователь напряжения

Однотактный преобразователь напряжения содержит трансформатор, первичная обмотка которого состоит из двух частей с числом витков w1 и w2, первый транзистор, соединенный с блоком управления, и второй транзистор, шунтированный обратным диодом. Между эмиттерами транзисторов включен конденсатор. Коллекторы первого и второго транзисторов соединены с крайними выводами обмоток трансформатора. Кроме того, коллектор первого транзистора через резистор, шунтированный последовательной RC-цепью, образующие токозадающую цепь, соединен с входом управления второго транзистора.

В качестве первого и второго транзисторов в данном преобразователе могут быть использованы любые другие ключевые элементы, например, МОП транзисторы и т.д.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

При поступлении отпирающего сигнала на базу транзистора последний открывается, к обмотке трансформатора прикладывается входное напряжение. При этом к управляющему переходу транзистора прикладывается запирающее напряжение, практически равное напряжению конденсатора, и он запирается. Через второй транзистор протекает сумма токов намагничивания сердечника трансформатора и нагрузки. По окончании управляющего импульса транзистор запирается, ток намагничивания замыкается через диод, конденсатор и обмотку. К управляющему электроду второго транзистора прикладывается отпирающее напряжение, равное разности коллекторного напряжения первого транзистора и напряжения конденсатора. Второй транзистор отпирается, обеспечивая протекание тока намагничивания в обратном направлении.

Благодаря конденсатору ток намагничивания протекает непрерывно в течение всего периода следования импульсов с блока управления и среднее значение этого тока равно нулю. Это приводит к тому, что размагничивающее напряжение прикладывается к обмотке в течение всего времени запертого состояния первого транзистора, а перемагничивание сердечника трансформатора осуществляется по полному циклу с малой амплитудой тока намагничивания.

Таким образом, в предложенном устройстве уменьшены потери мощности на резисторе, включенном в управляющей цепи дополнительного ключа, за счет снижения напряжения на нем.

4.2 Импульсный однотактный преобразователь постоянного напряжения . Конвертор.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение (напряжение на нагрузке) путём изменения времени подачи напряжения Uo на нагрузку Zн. Чаще всего применяют широтно-импульсный (ШИР) и частотно-импульсный (ЧИР) способы регулирования. Принцип действия ИППН основан на ключевом режиме транзистора или тиристора, которые периодически прерывают цепь подачи напряжения U0 в нагрузку (Рисунок 11). При широтно-импульсном способе выходное напряжение регулируют изменением длительности выходных импульсов tи (рисунок 12) при неизменном периоде их следования Т. Тогда среднее значение выходного напряжения преобразователя будет определяться по формуле Uн.ср=(tи/T)*Uо. Следовательно, выходное напряжение регулируют от нуля (при tи=0) до Uо(tи=T).

Рисунок 11.

Рисунок 12.

На рисунке 13 изображена схема широко распространённого ИППН . Такой преобразователь называют однотактным. В качестве ключа служит тиристор. Между нагрузкой Z н и тиристором включен сглаживающий LC-фильтр.



Рисунок 13.

Диод Д, выполняющий функции обратного диода, необходим для создания электрической цепи для тока нагрузки при выключенном тиристоре.

Однотактные ИППН работают при мощности 100 кВт. Если требуется большая мощность, прибегают к многотактным ИППН.

Во всех ИППН отпирание проводниковых ключей производится путём принудительной подачи на тиристор (транзистор) коммутирующих импульсов, запирание же тиристоров осуществляется напряжением периодически перезаряжаемого конденсатора. Естественно, что коммутационный блок в ИППН имеет некоторое отличие от подобных блоков в автономных инверторах.

Отметим, что регулирование постоянного напряжения на нагрузке при питании от сети переменного тока можно осуществить с помощью ИППН. Небольшое падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе и очень малый ток при его запертом состоянии определяют высокий КПД импульсных преобразователей постоянного напряжения. В этом отношении неуправляемый выпрямитель, работающий в паре с ИППН, успешно конкурирует с управляемым выпрямителем.

Преимущество импульсных преобразователей постоянного напряжения по сравнению с конверторами с самовозбуждением является то, что в ИППН в качестве ключей применяют тиристоры, которые в настоящее время выпускаются на напряжения до нескольких киловольт. Это позволяет создать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким КПД, меньшими габаритами и массой. Конверторы получили широкое применение в установках, в которых первичным источником электропитания являются контактная сеть, аккумуляторы, солнечные и атомные батарейки, термоэлектрические генераторы.

5 Заключение

5.1 Электромагнитные и радиопомехи, создаваемые ИИП

Известно, что импульсные источники питания создают электромагнитные и радиопомехи. НЧ фильтры в подводящих проводах жизненно важны для уменьшения наводок по цепям питания. Экран Фарадея между обмотками трансформатора и вокруг чувствительных компонентов вместе с правильным расположением в блоке цепей, компенсирующим поля, также уменьшают электромагнитные и радиопомехи. Проблема сглаживания тока пилообразной формы требует применения фильтрового конденсатора. Индуктивность и сопротивление (последовательно включенные) стандартных электролитических конденсаторов влияют на пульсации и напряжения шума в выходных сигналах. Линейные источники питания не имеют себе равных в маломощных и очень малошумящих с низкими пульсациями в выходных сигналах источниках.

5.2 Интегральные микросхемы для ИИП

Mullard:

TDA2640

TDA2581

SGS:

L4960

Диапазон входного напряжения - 9 - 50 В постоянного тока

Регулируемое выходное напряжение - от 5 до 40 В

Максимальный выходной ток - 2.5 А

Максимальная выходная мощность - 100 Вт

Встроенная схема плавного включения

Стабильность внутреннего опорного источника - +\- 4 %

Требует очень небольшого числа навесных компонентов

Коэффициент заполнения - 0 - 1

Высокий КПД - выше 90 %

Встроенная тепловая защита от перегрузки: микросхема выключается, когда температура pn-перехода достигает 150 град. C.

Встроенный ограничитель тока для защиты от короткого замыкания

L4962 (16-выводной DIP корпус. Выходной ток до 1.5 А)

L4964 (специальный 15- выводной корпус. Выходной ток до 4 А)

Texas Instruments:

TL494

TL497

TL497 имеет генератор с фиксированным временем включенного состояния, но с переменной выходной частотой. Это дает минимальное количество навесных элементов. Время включенного состояния определяется значением емкости конденсатора, подключенного между выводом 3 и землей.

Рисунок 14.

5.3 Режим повторных включений ИИП

В импульсных источниках питания такой режим часто используется для ограничения выходного тока. Если ИИП перегружен, схема выключается. После некоторого интервала времени он включается, если перегрузка все еще существует, он немедленно выключается. На некоторых конструкциях, если это случается несколько раз, питание отключается, пока не будет сброшена блокировка схемы.

5.4 ИИП с поддержкой питания

Некоторые "более автономные" ИИП разработаны так, чтобы сохранить устойчивое выходное напряжение более чем несколько периодов при отключении входного питания. Это может быть достигнуто установкой входного конденсатора большой емкости, такой, что его напряжение не будет существенно падать в течение перерывов подачи энергии. Период времени, в течение которого ИИП поддерживает выходное напряжение, когда отсутствует входное, часто называют "временем поддержки питания".

6 Литература

1. INTERNET:

SGS Power Supply Application manual

Motorola Power MOSFET Transistor Databook

Unitrode Semiconductor Databook

Unitrode Applications Handbook

Transformer Core Selection for SMPS, Mullard

Soft Ferrites - Properties and Applications, E.C. Snelling

Switchmode - A Designer"s Guide, Motorola

SMPS Technology and Components, Siemens

Texas Instruments Linear Circuits Databook

Analogue Electronics Handbook, T.H. Collins

Smith, K.L. Ph.D. (University of Kent), "D.C. Supplies from A.C. Sources", Electronics & Wireless World, September 1984.

Иванов В.С., Панфилов Д.И. Компоненты силовой электроники фирмы MOTOROLA. - М.: ДОДЭКА, 1998

Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier. Пер. п/р В.В.Токарева. - Воронеж, 1995

Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд. 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000

Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989

Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Импульсные регуляторы и преобразователи постоянного напряжения. - М.: Изд-во МЭИ, 1998

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ОКРУГ

Конкурс исследовательских работ учащихся

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ МОРДОВИИ»

Импульсный преобразователь напряжения

Авторы работы: Мамонов Алексей, Голяткин Алексей - студенты специальности «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»

ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский электромеханический колледж »

Саранск 2013

Аннотация. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение импульсного повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Введение……………………………………………………………………………..…………...4

1. Теоретическая часть…………………………………………………..………………………5

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии………………….………5

1.2 Импульсные преобразователи напряжения …………...………………….…….……..6

2.Экспериментальная часть………………………………………..……………………...…….9

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В.……………………………………………..…...….9

2.2 Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя………........10

2.3. Расчет себестоимости преобразователя..……………………………...…………..….11

Заключение………………………………………………………………………..……….……12

Список использованных источников и литературы…………………………..…...…………12

Введение

В настоящее время на рынке электронной аппаратуры предложен большой выбор преобразователей. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Преобразователи напряжения различаются своими функциональными возможностями, формой выходного напряжения, мощностью на выходе и соответственно ценой.

В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Основными критериями при разработке преобразователя являлись малые габариты при высокой удельной мощности, простота технического решения, надежность и низкая цена.

Целью исследования является разработка и изготовление малогабаритного источника постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В. Задачами исследования являются:

Изучить и проанализировать существующие типы преобразователей электрической энергии.

Разработать оптимальную электрическую схему и конструкцию преобразователя напряжения на 12-220В.

Изготовить преобразователь по разработанной схеме.

Провести испытание преобразователя, измерить входные и выходные характеристики и сделать выводы о его работоспособности.

Методы исследования: изучение литературы и интернет - ресурсов, наблюдение, обобщение, анализ, классификация, моделирование, прогнозирование, эксперимент, расчет, сравнение, описание.

Практическая значимость работы . Разработанный преобразователь напряжения является простым и недорогим источником автономного питания для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения.

Актуальность тематики . Устройство актуально для владельцев неэлектрофицированных садовых домиков, гаражей, где единственным источником электроэнергии может быть аккумуляторная батарея автомобиля.

1. Теоретическая часть

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии.

Преобразователь электрической энергии - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД - важный параметр электротехнических устройств.

Основными видами преобразования электрической энергии являются:

· выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока в постоянный (рис.1). Этот вид преобразования наиболее распространенный, так как некоторые потребители электрической энергии могут работать только на постоянном токе (сварочные устройства, электролизные установки и т. д.) или имеют на постоянном токе более высокие технико-экономические показатели, чем на переменном (электропривод системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения);

Рис. 2. Принцип действия инвертора.

· преобразование частоты - обычно переменный ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты (питание регулируемых электроприводов переменного тока, установки индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковые устройства и т. д.) (рис. 3);



· преобразование числа фаз. Иногда необходимо преобразование трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или наоборот, однофазного в трехфазный (электрифицированный транспорт). В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной частью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;

· преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока) (рис. 4). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребителям требуется постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической аппаратуры).



Рис. 4. Принцип действия преобразователя постоянного напряжения.

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов.

Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры , запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

1.2 Импульсные преобразователи напряжения

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, повышающие и инверти­рующие. Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивно­сти, дроссель), блокировочный диод и конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки. Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях по­зволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразо­вателей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобра­зователя осуществляется изменением ширины импульсов, уп­равляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии. Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий преобразователь (рис. 5) содержит после­довательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки Rн и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соедине­ния ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Рис. 5. 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 Rн. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 6) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки с параллельно подключенным конден­сатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 6. 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 содер­жит то же сочетание основных элементов, но в другом их соединении (рис. 7): к источнику питания подключена последо­вательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки Rн с конденсатором фильтра С1. Ин­дуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соедине­ния коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 7. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь следующим образом: 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.

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Обратноходовой преобразователь - разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей. Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель, который часто называют трансформатором. Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

Двухтактный преобразователь - преобразователь напряжения, использующий трансформатор для изменения напряжения источника питания. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота. Двухтактный преобразователь похож на обратноходовой преобразователь, однако основан на другом принципе работы (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).

2.Экспериментальная часть

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC - DC преобразователя напряжения 12/220В

Принцип действия предлагаемого преобразователя заключается в следующем: постоянный ток от аккумуляторной батареи напряжением 12В преобразуется инвертором в переменный ток того же напряжения, которое повышается трансформатором до 220В и далее выпрямляется выпрямителем. Общий вид структуры реализованного преобразователя показан на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 9. Преобразователь построен по двухтактной схеме. Основой преобразователя является широко известная микросхема ШИМ контроллера TL494. Данная микросхема имеет встроенный задающий генератор, частота которого устанавливается внешней R3C1 цепочкой. Рабочая частота задается следующим образом: уменьшаем сопротивление R3 – увеличиваем частоту. Увеличиваем емкость C1 – уменьшаем частоту и наоборот. В данной схеме частота получается порядка 100КГц. Такая высокая частота преобразования обусловлена необходимостью минимизации габаритов преобразовательного трансформатора.

В схеме используются мощные полевые транзисторы IRFZ46N, которые характеризуются меньшим временем срабатывания и более простыми схемами управления. Вместо них можно использовать IRFZ44N или IRFZ48N.

Повышающий трансформатор в данном преобразователе используется из блока питания компьютера с измененным количеством витков. Соотношение витков в трансформаторе 1:1:20 , где 1:1 – две половинки первичной обмотки (10+10 витков), а 20 – соответственно, вторичная обмотка (200 витков). Для первичной обмотки используется провод диаметром 0,5мм, для вторичной обмотки – 0,3мм.

Выходное напряжение преобразователя снимается с вторичной обмотки трансформатора и выпрямляется по мостовой схеме, выполненной из быстродействующих диодов КД213.


Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Защиту схемы от перегрузки и от неправильного подключения питания (полярности «+» и «-») можно реализовать через предохранитель и диод на входе.

2.2. Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя

Внешний вид готового преобразователя напряжения представлен на рис. 10, где 1 – корпус преобразователя, 2 – входные контакты, 3 – выходные контакты, 4 – вентилятор .

http://pandia.ru/text/78/373/images/image015_24.jpg" width="276" height="265 src=">Ацетон" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark">ацетоном .

Для предупреждения перегрева транзисторов при длительных режимах работы установлены радиатор и вентилятор.

Готовый преобразователь был испытан для питания энергосберегающих ламп дневного света цокольного типа и ламп накаливания мощностью до 40 Вт (рис. 12).

Рис. 12. Испытание преобразователя.

В результате испытаний получены следующие данные:

Входное напряжение – 12В, выходное напряжение – 220+/-5В, максимальная выходная мощность – 40Вт.

Преобразователь испытывался как в кратковременных, так и в длительных режимах работы (4часа) с энергосберегающими и лампами накаливания разной мощности до 40Вт. Во всех случаях было отмечено нормальное яркое свечение без мерцания.

Сравнительный эксперимент на двух лампах одного номинала, подключенных к преобразователю и к розетке с напряжением 220В – 50Гц, показал визуально одинаковый результат.

2.3. Расчет себестоимости преобразователя

Себестоимость преобразователя по стоимости материалов составляет 356 рублей. Расчет приведен в таблице №1. Для расчета взяты средние розничные цены в специализированных магазинах электроники.

Таблица №1. Расчет себестоимости преобразователя.

Материалы и

запасные части

Количество, шт.

Цена за единицу, руб.

Стоимость, руб.

1. Микросхема TL494

2. Транзисторы IRFZ46N

3. Резистор 2,6 кОм

4. Резистор 1 кОм

5. Резистор 10 кОм

6. Конденсатор 500мкФ

7. Конденсатор 200мкФ

8. Конденсатор 1нФ

9. Трансформатор

Заключение

Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Список использованных источников и литературы

1. ГОСТ Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий.

2. , Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: СОЛО-Р, 2001. – 327с.

3. http://www. electromonter. info/theory/convert. html



top