Linear выпустила регулятор, конфигурируемый как понижающий или инвертирующий преобразователь

Linear Technology выпустила восьмиканальные конфигурируемые понижающие DC/DC преобразователи для многоканальных систем питания

Linear Technology LTC3375

Linear Technology анонсировала выпуск новой высокоинтегрированной микросхемы управления питанием для низковольтных приложений общего назначения. Управляемый по шине I 2 C 8-канальный понижающий DC/DC преобразователь LTC3375, выпускаемый в компактном корпусе QFN, оснащен гибкой схемой управления последовательностью включения и монитором неисправностей. Помимо восьми внутренне компенсированных высокоэффективных синхронных преобразователей с выходным током 1 А микросхема содержит высоковольтный 25-миллиамперный постоянно активный контроллер LDO стабилизатора. Каждый понижающий преобразователь имеет собственный независимый вход с диапазоном допустимых напряжений VIN от 2.25 В до 5.5 В и выход с напряжением от 0.425 В до VIN. Для гибкого и надежного управления последовательностью запуска и контроля состояния системы предусмотрен вход кнопки ON/OFF/RESET, функция сброса по включению питания и сторожевой таймер. Еще одной особенностью LTC3375 является генератор, частота которого в диапазоне от 1 МГц до 3 МГц программируется или задается извне, а фаза колебаний управляется с дискретом 90°. По умолчанию рабочая частота генератора установлена равной 2 МГц. При отключенных DC/DC преобразователях микросхема потребляет всего 11 мкА, продлевая время работы аккумулятора. Прибор идеально подходит для широкого класса приложений многоканальных источников питания для промышленных, автомобильных и телекоммуникационных систем.

DC/DC преобразователи микросхемы LTC3375 могут использоваться независимо, или соединяться параллельно для увеличения выходного тока, и, используя одну общую для объединенных каналов индуктивность, отдавать в нагрузку ток вплоть до 4 А на один выход. Допускается параллельное соединение до четырех смежных преобразователей, в результате чего можно получить пятнадцать различных комбинаций выходов. При этом по цепям управления объединенные преобразователи могут быть включены в конфигурации ведущий-ведомый путем соединения выводов VIN и SW каждого канала и подключения выводов FB ведомых преобразователей к источнику входного напряжения. Все DC/DC преобразователи имеют цепи внутренней коррекции, поэтому для их работы требуются только внешние резисторы обратной связи, устанавливающие уровни выходного напряжения. Кроме того, возможен альтернативный способ управления выходным напряжением через шину I 2 C.

Схема включения преобразователя в 8-канальном режиме

Импульсные преобразователи могут работать в двух режимах: в режиме генерации пачек (Burst Mode) для повышения КПД при облегченных нагрузках (этот режим устанавливается по умолчанию при включении), и в режиме принудительной непрерывной ШИМ (forced continuous PWM) для снижения уровня шумов при малых нагрузках. Интерфейс I 2 C может быть использован для выбора режимов работы, управления фазой колебаний генератора, переключения опорного напряжения цепи обратной связи и снижения скорости нарастания напряжения в точке подключения индуктивности. Преобразователи содержат ограничители прямого и обратного тока, схему мягкого старта для смягчения бросков пускового тока, защиту от короткого замыкания и схему контроля скорости нарастания для снижения уровня излучаемых ЭМП. Другие функции включают монитор температуры (доступно чтение по I 2 C), отображающий внутреннюю температуру кристалла микросхемы, а также функцию предупреждения о перегреве, которая сообщает, что температура кристалла приближается к пороговому значению (также программируемому по I 2 C).

Зависимость КПД от тока нагрузки

Микросхемы LTC3375 поставляются со склада в низкопрофильном 48-выводном корпусе QFN (0.75мм) размером 7 × 7 мм со сниженным тепловым сопротивлением. Микросхемы групп E и I имеют диапазон рабочих температур кристалла от –40 °C до +125 °C, а группа H рассчитана на расширенный диапазон от –40 °C до +150 °C. В партиях 1000 шт. каждая микросхема группы E стоит $5.45.

Основные особенности LTC3375

  • 8 независимых понижающих DC/DC преобразователей c возможностью параллельного объединения каналов для увеличения выходного тока до 4 А при работе на общую индуктивность
  • Независимый вход питания VIN для каждого DC/DC преобразователя (от 2.25 В до 5.5 В)
  • Все DC/DC преобразователи имеют диапазон выходного напряжения от 0.425 В до VIN
  • Точные пороги переключения входов разрешения для автономного управления последовательностью включения (возможно управление по шине I 2 C)
  • Программируемый генератор частоты от 1 МГц до 3 МГц с возможностью внешней синхронизации (частота по умолчанию 2 МГц)
  • Управление по шине I 2 C фазой синхронизации каждого канала с шагом 90°
  • Программируемая временная диаграмма реакции на сброс по включению питания, срабатывание сторожевого таймера и нажатие кнопки
  • Выход монитора температуры кристалла
  • 48-выводной корпус QFN с габаритами 7 × 7 × 0.75 мм

Перевод: Антон Юрьев по заказу РадиоЛоцман

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки, применение. Принцип работы. Примеры схем

Как работает инвертирующий стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету. Преобразование постоянного напряжения (10+)

Инвертирующий импульсный стабилизатор напряжения. Проектирование. Расчет — Принцип действия

Инвертирующий преобразователь напряжения применятся, если на выходе нужно получить стабилизированное напряжение, по знаку противоположное входному. Часто есть источник с выходом +15 вольт, а для питания схемы нужен двуполярный источник +15 В, GND, -15 В. Вот тут то и можно использовать инвертирующий источник питания. Это — удачный пример, но далеко не единственное применение преобразователя такой топологии.

Принцип работы инвертирующего стабилизированного преобразователя напряжения очень похож на принцип работы понижающего преобразователя. Я рекомендую ознакомиться со статьей по ссылке, прежде чем читать этот материал. В инвертирующем преобразователе индуктор также сначала накапливает энергию, а потом отдает ее на конденсатор выходного фильтра. Отличие в схеме включения индуктора, силового диода и конденсатора.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Сначала ключ замкнут, катушка индуктивности подключена к источнику питания. При этом сила тока через нее растет со временем, происходит накопление энергии. Ток идет по контуру S1. В это время нагрузка питается напряжением, сформированным на выходном конденсаторе C2.

Когда ключ размыкается, ток начинает течь по контуру S2. Он заряжает выходной конденсатор C2 причем так, что на нем формируется напряжение полярности, обратной по отношению к входному напряжению.

Блок управления D1 меняет время, в течение которого ключ остается открытым в зависимости от напряжения на конденсаторе C2. То есть микросхема D1 осуществляет широтно-импульсную модуляцию.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Преимущества, недостатки, применимость

Потери энергии в инвертирующем преобразователе, также как и в понижающем, и в повышающем, пропорциональны отношению входного и выходного напряжений. Поэтому инвертирующие преобразователи применяются, если модуль входного напряжения не более чем 4 раза отличается от модуля выходного.

В таком преобразователе не применяется выходной трансформатор, следовательно нет паразитной индуктивности утечки между обмотками — главной причиной, ограничивающей мощность импульсных преобразователей. С другой стороны, мы не имеет возможность развязать входную и выходную цепи.

Проектирование инвертирующего преобразователя

Разберем процесс проектирования и расчета инвертирующего преобразователя и опробуем его на примерах. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Для примера возьмем следующие схемы:


Схема 1


Схема 2


Схема 3

Как и в случае понижающего преобразователя в инвертирующем есть сложность с подачей управляющего напряжения на базу (затвор) VT1, и эта сложность преодолевается теми же способами. Но есть еще одна совершенно специфическая сложность со снятием выходного напряжения для обратной связи. Напряжение на выходе ниже напряжения на общем проводе, а на выход обратной связи контроллера нужно подавать положительное напряжение, тем большее, чем меньше (то есть больше по модулю) отрицательное напряжение на выходе. Для решения этой задачи применяется токовое зеркало VT4, VT5, подключенное коллекторами к источнику опорному напряжению (формируется самим контроллером на ножке 16). Чем меньше отрицательное напряжение на выходе, тем больше ток через VT5. Так как сила тока через VT4 равна силе тока через VT5, падение напряжения на R11 тем больше, чем меньше напряжение на выходе. Для получения токового зеркала нужно брать согласованные пары транзисторов, лучше всего выполненные на одном кристалле.

Читайте также  Шумоподавитель для звуковой карты

Схема управления от маломощного контроллера и схема для варианта повышенного входного напряжения, большего чем напряжение работы контроллера или допустимого напряжения затвор — исток, совершенно идентичны тем, которые приведены для понижающего преобразователя. Так что здесь мы их обсуждать не будем.

Для примера в качестве ШИМ — контроллера мы используем микросхему 1156EU3.

В наших схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Понижающий импульсный источник питания. Онлайн расчет. Форма. Подавлен.
Как рассчитать понижающий импульсный преобразователь напряжения. Как подавить пу.

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения, источник питания. Преим.
Как работает повышающий стабилизированный преобразователь напряжения. Где он при.

Расчет силового резонансного фильтра. Рассчитать онлайн, он-лайн, on-l.
Как получить синусоидальное напряжение на выходе при входном напряжении сложной .

ПИД-регулятор понижающего преобразователя напряжения

Межаков, О. Г. ПИД-регулятор понижающего преобразователя напряжения / О. Г. Межаков, А. А. Скляров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 10 (90). — С. 257-261. — URL: https://moluch.ru/archive/90/18907/ (дата обращения: 30.07.2021).

Рассмотрение вопроса построения ПИД-регулятора импульсного понижающего преобразователя и его моделирование в пакете прикладных программ «Matlab Simulink».

1. Введение

Работа практически любой электронной схемы требует наличия одного или нескольких источников постоянного напряжения, причем в подавляющем большинстве случаев используется стабилизированное напряжение. В стабилизированных источниках питания применяются либо линейные, либо импульсные стабилизаторы. Несомненным достоинствам импульсных стабилизаторов относятся высокие значения коэффициента полезного действия, возможность получения больших величин выходного тока и высокая эффективность при большой разнице между значениями входного и выходного напряжений. Стабилизация выходного напряжения достигается путем регулирования времени открытого состояния силового ключа относительно периода переключения.

В данной работе рассматривается вопрос стабилизации выходного напряжения понижающего преобразователя посредством ПИД-регулятора путем исследования математической модели.

2. Передаточная функция понижающего преобразователя

Стабилизация выходного напряжения достигается путем регулирования величины рабочего цикла (Duty cycle) посредством обратной связи. Развитие полупроводниковых технологий позволяет создавать цифровую обратную связь, которая является конкурентом аналоговой (рис.1). Цифровая часть преобразователя может быть реализована как в одном корпусе микросхемы, так и состоять из отдельных микросхем показано пунктирной линией на рисунке 1.

Рис. 1. Аналоговая и цифровая обратная связь понижающего преобразователя

Цифровой преобразователь обладает рядом преимуществ и недостатков в сравнении с аналоговым преобразователем напряжения. Например, программируемость позволяет изменять величину выходного напряжения без замены радиоэлементов в цепи обратной связи. Но программируемость требует знания языка программирования. Как в цифровом, так и в аналоговом преобразователе для расчета регулятора необходима передаточная функция (Transfer Function(Fcn)) силовой части преобразователя напряжения, которая получается из математической модели силовой части. Построение математической модели рассмотрено в работе [1], схема понижающего преобразователя показана на рисунке 2.

Система дифференциальных уравнений импульсного понижающего преобразователя в форме Коши:

(1)

-ток индуктивности,

-рабочий цикл (duty cycle),

-ток нагрузки.

Рис. 2 Схема понижающего преобразователя

Из первого уравнения системы (1) получаем произведение входного напряжения и рабочего цикла:

(2)

Применяем преобразование Лапласа к уравнению (2):

(3)

Из второго уравнения системы (1) получаем :

(4)

(5)

Применяем преобразование Лапласа к уравнению (5):

(6)

Подставляя (6) в (3), и осуществляя перестановку членов, получаем передаточную функцию открытой системы (Openloop):

(7)

Классическая схема управления с единичной отрицательной обратной связью показана на рисунке 3.

Рис. 3 Структурная схема закрытой системы

Назначение регулятора системы заключается в коррекции динамических свойств объекта управления с помощью управляющего сигнала так, чтобы реальный выходной сигнал как можно меньше отличался от желаемого выходного сигнала . Регулятор вырабатывает управление, используя ошибку регулирования .

Для оценки динамических свойств системы часто рассматривается реакция на единичное ступенчатое воздействие. Переходный процесс должен отвечать заданным показателям качества, к которым относятся время переходного процесса, перерегулирование и колебательность. Могут быть также использованы интегральные оценки качества переходного процесса.

Передаточная функция (TF) ПИД-регулятора имеет вид [2]:

(8)

Общая передаточная функция системы, представленной на рисунке 3, определяется по формуле:

(9)

Подставляя в формулу (9) уравнения (7), (8), где , , производим упрощение и получаем общую передаточную функцию системы дифференциальных уравнений импульсного понижающего преобразователя напряжения:

(10)

Номиналы элементов электрической схемы (рисунок 2) рассчитываются на основе заданных требований к преобразователю напряжения и известных входных параметров сети питания:

-максимальный выброс напряжения на выходе; -пульсации напряжения на выходе.

Определяем коэффициент пульсаций тока индуктивности, величину индуктивности и емкость выходного конденсатора:

(11)

(12)

(13)

Полученные значения (12,13) и исходные данные подставляем в уравнение (7). Составим блок-схему в «Matlab Simulink» рисунок 4:

Рис. 4. Структурная схема закрытой передаточной функци в «Matlab Simulink»

Настройка ПИД-регулятора осуществляется с помощью встроенного приложения в «Matlab Simulink» «PID Tuner» (рисунок 5):

Рис. 5 Окно «PID Tuner»

Моделируя передаточную функцию, получаем осциллограммы выходного напряжения приведенные на рисунке 6:

Рис. 6. Осциллограмма выходного напряжения закрытой передаточной функции

3. Заключение.

В данной статье рассмотрены вопросы:

— построения открытой и закрытой передаточных функции понижающего преобразователя напряжения

— настройки ПИД-регулятора для понижающего преобразователя напряжения с помощью «Matlab PIDTuning»

Анализируя осциллограммы выходного напряжения, можно сделать вывод, что ПИД-регулятор может быть применен для стабилизации напряжения в импульсном понижающем преобразователе напряжения.

Полученный ПИД-регулятор в дальнейшем будет исследован на устойчивость работы при внешних возмущениях.

1. Межаков О. Г. Математическая модель понижающего преобразователя напряжения // Молодой ученый. — Март 2015 — С. 171–176.

2. Katsuhiko Ogata «Modern Control Engineering» Fifth Edition.

3. В. С. Щербаков, А. А. Руппель, И. В. Лазута, С. А. Милюшенко «Автоматические системы управления в среде Matlab-Simulink», 2010 г.

4. Е. Э. Страшинин «Основы теории автоматического управления», 2000 г.

5. Marian K. Kazimierczuk «Pulse-width modulated dc–dc power converters», 2008 г.

DC/DC преобразователи — виды, принципы работы, схемы

Принцип работы DC/DC преобразователей импульсного типа основан на явлении самоиндукции. При прерывании тока, идущего через катушку индуктивности, в магнитном поле, которое индуцировано вокруг нее, возникает ЭДС, а на ее клеммах — напряжение обратной полярности. Управляя током и временем переключения схемы, можно выполнять регулировку напряжения самоиндукции.

Импульсный конвертор DC/DC представляет собой электронную схему, которая содержит катушку индуктивности. Она циклически подключается к источнику электропитания и отключается от него. Поскольку катушка нуждается в циклической зарядке, схема также должна включать конденсатор, выполняющий фильтрацию электросигнала и поддерживающий величину выходного напряжения. В качестве регулировочного элемента, управляющего временем пропускания электрического тока, выступает транзистор или тиристор.

Преобразователи применяются для построения источников питания в вычислительной технике, телекоммуникационной аппаратуре, автоматизированных системах управления, мобильных устройствах. Они обеспечивают изменение выходного постоянного напряжения в большую или меньшую сторону относительно входного напряжения.

Существует несколько типов преобразователей DC/DC. Выбор модели зависит от того, для чего нужен источник питания и каковы должны быть его характеристики. Основными рабочими параметрами импульсных преобразователей являются:

  • выходное напряжение. Оно может быть фиксированным и регулируемым в определенном диапазоне;
  • входное напряжение;
  • выходной ток. Он определяет, насколько мощную нагрузку можно питать от источника. Расчет мощности конвертора осуществляется по формуле Р = U*I, где U — Напряжение, а I — сила электротока;
  • стабилизация напряжения;
  • величина пульсаций;
  • КПД.

Также при выборе нужно уделять внимание наличию систем защиты от перегрузок, перегрева и КЗ, наличию гальванической развязки, которая исключает возможность подачи опасного входного напряжения на выходные контакты.

По назначению устройства бывают:

  • понижающими;
  • повышающими;
  • инвертирующими.

Содержание

  • Понижающие преобразователи (регуляторы I типа)
  • Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)
  • Инвертирующие преобразователи (регуляторы III типа)

Понижающие преобразователи (регуляторы I типа)

Используются для нагрузок, которым для работы необходимо большие токи и малые напряжения. Фундаментальная схема DC/DC конвертора этого типа состоит из катушки индуктивности, конденсатора, ключевого транзистора, диода. Переключение сигнала осуществляется посредством транзистора, который управляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Время открывания и закрывания ключа задается рабочим циклом. Когда транзистор открыт, электроток свободно протекает через катушку, конденсатор, сопротивление. Выполняется накопление энергии в конденсаторе и дросселе, а увеличение тока осуществляется постепенно, а не дискретно. Диод остается в запертом положении.

Читайте также  Регулируемый стабилизатор напряжения на основе компьютерного бп

Когда напряжение достигнет заданного значения, транзистор запирается. Ток начинает течь по контуру с открытым диодом благодаря ЭДС самоиндукции. Значение электротока медленно уменьшается.

Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)

Они применяются для электропитания потребителей, которым необходимо напряжение, большее, чем напряжение источника энергии. Принцип работы DC/DC преобразователя повышающего типа аналогичен понижающему конвертору. Устройство состоит из тех же элементов, но имеет другую схему подключения. Открывание и закрывание транзистора также осуществляется с помощью настроек ШИМ.

Открытый ключ обеспечивает протекание тока через транзистор и дроссель. При этом катушка запасает электроэнергию, а закрытый диод не позволяет разряжаться выходному конденсатору, питающему нагрузочное сопротивление. Как только напряжение падает ниже заданного уровня, происходит закрывание транзистора. В результате диод открывается и начинается подзарядка конденсатора. Входное напряжение суммируется с энергией, которая генерируется на катушке. Благодаря этому выходной сигнал становится выше, чем исходный. После достижения верхней границы напряжения, ключ снова закрывается, и цикл начинается заново.

Инвертирующие преобразователи (регуляторы III типа)

Предназначены для получения напряжения обратной полярности. При этом выходной сигнал может быть как ниже входного, так и выше. Микросхемы ДС/ДС преобразователей напряжения инвертирующего типа содержат тот же набор базовых элементов, что и вышеописанные устройства I и II типов, но их соединение выполнено в другой последовательности. К источнику питания последовательно подключаются транзистор, диод, сопротивление нагрузки с конденсатором. Индуктивный накопитель энергии подсоединяется между коммутирующим элементом и диодом.

При замыкании ключа энергия запасается в катушке. Диод при этом закрыт и не дает электротоку протекать к нагрузке. При отключении транзистора ЭДС индуктивного накопителя прикладывается к участку цепи с диодом, сопротивлением и конденсатором. Диод выпрямителя пропускает только импульсы напряжения с отрицательным знаком, поэтому на выходе формируется инверсное напряжение, знак которого противоположен знаку источника.

Приведенные выше варианты представляют собой упрощенные схемы конверторов постоянного напряжения. Подавляющее большинство современных преобразователей отличается намного более сложным устройством. Например, они оснащены гальванической развязкой, которая обеспечивает изоляция входной электроцепи от выходной. Их широко используют в источниках питания с IGBT-транзисторами, программируемых логических контроллерах. За счет гальванической развязки достигается высокий уровень безопасности и помехоустойчивости.

При этом схема DC/DC конвертора может быть регулируемой, нерегулируемой и полурегулируемой.

Преобразователи напряжения импульсные

Для преобразования электроэнергии, а точнее сказать, напряжения, можно использовать различные устройства, такие как трансформаторы, генераторы, зарядные устройства. Все они являются преобразователями электрической энергии. Так как для питания многих современных устройств нужно не только переменное, но и постоянное напряжение, то для этих целей не всегда есть возможность применять такой источник энергии, как аккумуляторная батарея. Именно она выдаёт идеальное постоянное напряжение путём химической реакции. Раньше для преобразования и понижения напряжения применялись только низкочастотные трансформаторы, работающие в паре с выпрямителем и сглаживающим фильтром. Однако они обладали очень большими габаритами. С ростом и развитием инновационных технологий в быту и на производстве стали появляться электронные устройства, требующие миниатюрных преобразовательных устройств. Так и появились импульсные преобразователи постоянного напряжения. Миниатюрность их требуется больше для переносных мобильных устройств, нежели для стационарных.

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

  1. Повышающие, понижающие, инвертирующие;
  2. Со стабилизацией и без неё;
  3. С гальванической развязкой и без неё;
  4. Регулируемые и нерегулируемые;
  5. Обладающие различным диапазоном входного и выходного напряжения.

Однако импульсные преобразователи собраны на более сложных схемах, нежели их предшественники классические понижающие выпрямители.

Принцип действия

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

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

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

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

  1. Индуктивность (катушках);
  2. Конденсаторах.

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

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

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

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

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

Классификация и виды импульсных преобразователей

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

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

Самые распространённые схемы

Существует несколько классических стандартных схем, которые чаще всего применяются в импульсных преобразователях постоянного напряжения. Они обеспечивают разные величины соотношений между входным и выходным напряжением. Эти схемы раскрывают саму суть преобразователей и их принцип работы.

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Она используется для питания потребителей, нагрузка которых выражается большими токами и малым напряжением. Это первоочередная схема способная заменить классический низкочастотный преобразователь, в свою очередь, обеспечит увеличение КПД, уменьшит габариты и вес устройства. Транзистор VT выполняет роль электронного ключа, его работа лежит между двумя режимами осечки (полного закрытия) и насыщения (полного открытия). Расчет каждой детали производится непосредственно для конкретного потребителя и источника напряжения. Основным недостатком данной схемы является вероятность пробоя и появление полного большого входного напряжения на потребителе. Это, несомненно, приведёт к неисправности питаемого устройства.

Повышающий преобразователь и схема

Она может быть использована для получения напряжения на потребителе или на нагрузке больше чем на источники энергии. Применяется для подсветки дисплеев портативных компьютеров и для других электронных устройств где необходимо из небольшого напряжения сделать большее. Здесь имеет место процесс появления ЭДС самоиндукции, которая появляется после открытия транзистора. Вся накопленная энергия в дросселе попадает в нагрузку. При этом напряжение на выводах дросселя меняет свою полярность.

Инвертирующая схема

Может использоваться для получения напряжения, которое обладает обратной полярностью. При этом по значению U вых может быть меньше или больше U вх. Энергия, которая скапливается в дросселе направляется в нагрузку через сглаживающий конденсатор.

Как видно из этих схем все они не имеют гальванической развязки, то есть непосредственной изоляции вторичного выходного напряжения от входного.

Вот одна из таких схем, содержащих трансформатор. Энергия, которая накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, в нагрузку выводится через вторичную обмотку. Трансформатор в этом случае может быть и повышающим и понижающим. Применяется очень часто в сетевых источниках где есть необходимость снижения входного напряжения от нескольких сотен вольт до единиц или десятков.

Читайте также  Небольшая катушка тесла своими руками

В момент когда транзистор закрывается трансформатор своей индуктивностью может вызвать на коллекторе высоковольтный скачок или всплеск, что несомненно, очень плохо и может привести к пробою полупроводникового элемента. Для этого и устанавливается RC-цепочка из конденсатора и катушки индуктивности, которая может быть подключена параллельно ключу или первичной обмотке. Такой обратноходовой импульсный преобразователь широко используется во многих сетевых источниках электрического тока с небольшой мощностью порядка 100 Вт.

Еще одна схема с трансформатором и прямым включением диода изображена на схеме ниже.

Используется в источниках питания около 250 Вт. Все эти рассмотренные выше преобразователи называются однотактные, потому что за один период преобразования в нагрузку будет поступать только один импульс. Основное их преимущество — это простота схемы состоящей всего из одного транзистора, работающего в режиме ключа, а недостаток намагничивание сердечника которое не даёт в полном объёме использовать с максимальным КПД этот магнитный материал. Передача энергии потребителю и подготовка трансформатора к следующему циклу размагничивания осуществляется с некоторой паузой которая и снижает их выходную мощность.

Вот несколько практических реализованных в жизни схем, основой которого является импульсный преобразователь. Первая из них имеет регулировочный элемент, выполненный на микросхеме, в свою очередь, обе схемы выполнены на полевых транзисторах. Расчет их выполнен под напряжение для нагрузки от 5 до 12 Вольт.

Методы регулировки

Существуют три вида регулирования в системах импульсных преобразователей:

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

Критерии выбора

Критерии которым должен отвечать качественный импульсный преобразователь и стабилизатор:

  • Продолжительный режим работы в экстремальных моментах когда ток в нагрузке максимален;
  • Полная автоматизация регулирования напряжения на выходе. Только тогда можно не бояться ни перегрузок, ни даже короткого замыкания;
  • Высокая надёжность устройства, обусловленная высоким показателем КПД и как следствие низким выделением тепла;
  • Минимальные габариты и вес;
  • Наличие гальванической развязки, которая исключает даже теоретически саму возможность попадания опасного напряжения входа, на выходные контакты, а значит на незащищенный потребитель.

Человек не знакомый с электроникой должен помнить при выборе нужного бытового стабилизатора напряжения что он должен соответствовать главным образом мощности тех приборов, к которым он будет подключен. А также падения и всплескам напряжения, которые могут возникнуть в сети. Лучше выбирать стабилизатор или импульсный понижающий преобразователь напряжения немного с запасом по мощности, так как количество используемых потребителей в квартирах и частных домах постоянно растёт.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Неинвертирующий усилитель является базовой схемой с ОУ. Выглядит он до боли просто:

В этой схеме сигнал подается на НЕинвертирующий вход ОУ.

Итак, для того, чтобы понять принцип работы этой схемы, запомните самое важное правило, которое используется для анализа схем с ОУ: выходное напряжение ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжения между его входами была равна нулю.

Принцип работы неинвертирующего усилителя на ОУ

Итак, давайте инвертирующий вход обозначим, буквой A:

Следуя главному правилу ОУ, получаем, что напряжение на инвертирующем входе равняется входному напряжению: UA=Uвх . UA снимается с делителя напряжения, который образован резисторами R1 и R2. Следовательно:

Коэффициент усиления по напряжению высчитывается как KU = Uвых /Uвх.

Подставляем сюда ранее полученные значения и получаем, что KU = 1+R2/R1.

Как работает неинвертирующий усилитель на ОУ на примере

Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:

Давайте рассчитаем коэффициент усиления KU. KU = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:

Входной сигнал – это желтая осциллограмма, а выходной сигнал – это розовая осциллограмма:

Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим.

Но, как говорится, есть одно “НО”. На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.

АЧХ и ФЧХ неинвертирующего усилителя на LM358

На практике, для того, чтобы снять АЧХ, нам надо на вход нашего усилителя подать частоту от 0 Герц и до какого-то конечного значения, а на выходе в это время следить за изменением амплитуды сигнала. В Proteus все это делается с помощью функции Frequency Responce:

По оси Y у нас коэффициент усиления, а по оси Х – частота. Как вы могли заметить, коэффициент усиления почти не изменялся до частоты 10 кГц, потом стал стремительно падать с ростом частоты. На частоте в 1МегаГерц коэффициент усиления был равен единице. Этот параметр в ОУ называется частотой единичного усиления и обозначается как f1. То есть по сути на этой частоте усилитель не усиливает сигнал. Что подали на вход, то и вышло на выходе.

В проектировании усилителей важен такой параметр, как граничная частота среза fгр . Для того, чтобы ее вычислить, нам надо знать коэффициент усиления на частоте Kгр:

Kгр= KUo / √2 либо = KUo х 0,707 , где KUo – это коэффициент усиления на частоте в 0 Герц (постоянный ток).

Если смотреть на АЧХ, мы увидим, что на нулевой частоте (на постоянном токе) у нас коэффициент усиления равен 10. Вычисляем Kгр.

Теперь проводим горизонтальную линию на уровне 7,07 и смотрим пересечение с графиком. У меня получилось около 104 кГц. Строить усилитель с частотой среза, более, чем fгр не имеет смысла, так как в этом случае выходной сигнал усилителя будет сильно затухать.

Также очень просто определить граничную частоту, если построить график в децибелах. Граничная частота будет находиться на уровне KUo-3dB. То есть в нашем случае на уровне в 17dB. Как вы видите, в этом случае мы также получили частоту среза в 104 кГц.

Ну ладно, с частотой среза вроде бы разобрались. Теперь нам важен такой параметр, как ФЧХ. В нашем случае мы вроде бы как получили НЕинвертирующий усилитель. То есть сдвиг фаз между входным и выходным сигналом должен быть равен нулю. Но как поведет себя усилитель на высоких частотах (ВЧ)?

Берем такой же диапазон частот от 0 и до 100 МГц и смотрим на ФЧХ:

Как вы видите, до частоты в 1 кГц неинвертирующий усилитель действительно работает как надо. То есть входной и выходной сигнал двигаются синфазно. Но после частоты в 1 кГц, мы видим, что фаза выходного сигнала начинает отставать. На частоте в 100 кГц она уже отстает примерно на 40 градусов.

Для наглядности АЧХ и ФЧХ можно разместить на одном графике:

Также в схемах с неинвертирующим усилителем часто вводят компенсирующий резистор RK .

Он определяется по формуле:

и служит для того, чтобы обеспечить равенство сопротивлений между каждым из входов и землей. Более подробно мы это разберем в следующей статье.