Для согласования источников питания с нагрузкой используются преобразователи или их ещё называют инверторы. Реализовываются они на базе аналоговых или цифровых устройств либо с помощью ШИМ-контроллеров (Широтно-импульсная модуляция). В этой статье рассматривается классификация и свойства DC/DC-преобразователей, которые осуществляют изменение значения постоянного напряжения. Используются они для питания электронных и электромеханических схем от генераторов и источников постоянного напряжения. Например, если от солнечных или аккумуляторных батарей с одним значением напряжения требуется запитать электронный блок или нагрузку постоянного тока с отличительным номиналом и различной полярностью.
Свойства DC/DC-преобразователей и их виды
В зависимости от области применения и требованиям к выходным параметрам, приборы для изменения напряжения имеют классификацию, представленную в таблице.
Гальваническая развязка
В некоторых случаях, для питания участка схемы или приборов нужно получить изоляцию между входными и выходными цепями схемы преобразования. Для этого используется гальваническая развязка. Она препятствует протеканию прямого тока из любой точки схемы А в любую точку схемы Б (см. рисунок).
Реализовывается гальваническая развязка с помощь трансформатора. В устройствах с такой функцией может присутствовать ещё обратная связь, которая выполняется с использованием оптических пар или маломощных трансформаторов. Гальваническая развязка необходима, например, для питания схем, общий провод которых находится под потенциалом различной полярности (см. рисунок).
Линейные преобразователи
Линейный вид преобразования осуществляется с помощью активного элемента — транзистора с аналоговым (наиболее частое использование) или цифровым (очень редко используются) управлением. Линейные преобразователи могут только понижать, ограничивать или стабилизировать напряжение с условием, что выходной его номинал всегда ниже входного. Структурно-принципиальные схемы линейных преобразователей изображены на рисунке.
Полярность входов/выходов может быть обратной, на рисунке она указана лишь для обозначения электролитических конденсаторов. В цепи обратной связи цифровых линейных преобразователей, обычно применяется конденсатор малой ёмкости (не электролитический), потому что входные каскады цифровых устройств, в основном, имеют высокое сопротивление. Сдоб. используется для фильтрации питания предварительного каскада, для простых схем управления надобность в нём может отсутствовать.
Достоинством линейных преобразователей является:
- Простота схемы, легко достигается высокая точность выходных параметров;
- Отсутствие генерации, минимальный уровень помех;
- При малой рассеиваемой мощности имеет небольшие габариты и вес.
Недостатком такого типа схем можно считать:
- Возможно только уменьшение напряжения;
- При увеличении разности между входным и выходным напряжением падает КПД;
- Невозможно использовать гальваническую развязку.
Преобразователи с автогенератором
Классифицируются преобразователи, состоящие из автогенератора на:
- Трансформаторные;
- Безтрансформаторные.
Основой автогенератора является активный усилительный каскад, который охвачен глубокой обратной связью (см. рисунок).
В аналоговых устройствах такого типа может использоваться транзистор, усилительный каскад или операционный либо мощный интегральный усилитель и даже диод (тунельный диод и др).
Достоинство преобразователей, собранных на автогенераторе:
- Простота схемы, малое количество компонентов;
- Возможен любой тип преобразования (понижающий/повышающий);
- Можно получить различную полярность выходного напряжения или нескольких его линий;
- Трансформаторные автогенераторы могут осуществить гальваническую развязку.
Недостатками являются:
- Высокая зависимость частоты преобразования от нагрузки, возможен срыв генерации;
- Низкий КПД.
DC/DC-преобразователи с задающим генератором
Схема преобразователя напряжения с отдельным задающим генератором способна покрыть некоторые недостатки, присущие автогенераторам. Во-первых, представляется возможность достигнуть высокой стабильности частоты преобразования и формы импульсов. Генератором можно управлять со стабилизацией выходного напряжения при различной мощности потребления. Такой переделкой можно повысить КПД при малой мощности потребления нагрузкой (см. рисунок).
Достоинства у таких типов преобразователей те же, что и у автогенераторного типа, кроме, в некоторых случаях, простоты схемы. Вообще то, здесь имеются ввиду аналоговые генераторы, также цифровые, построенные только на компонентах элементарной логики без использования специализированных интегральных схем или программируемых контроллеров.
Недостатки преобразователей с задающим генератором зависят от схемы конвертации и сведены к минимуму. Всё-же, по стабильности выходных параметров, уступают лишь аналогам, построенным на ШИМ-контроллерах.
Цифровые DC/DC-преобразователи и ШИМ-контроллеры
По большому счёту ШИМ-контроллеры – это преобразователи с задающим генератором, только в качестве последнего служит специализированный контроллер. Для придания устойчивости параметрам контроллера, его питание осуществляется через отдельный стабилизатор напряжения.
Использование малогабаритных интегральных ШИМ-контроллеров позволяет свести все недостатки этих преобразователей к минимуму, а достоинства поднять на максимально высокий уровень. В итоге на базе ШИМ-контролеров можно решить практически любую задачу DC/DC преобразования. Но, так, как само устройство управления тоже потребляет ток, то высокий КПД (около 95% – 98%) удаётся достигнуть лишь у приборов средней и большой мощности. Впрочем, для маломощных нагрузок использовать устройство частотного преобразования напряжения с последующим его выпрямлением громоздко и малоэкономично. Обычно применяют другие методы решения проблем согласования.
