Начнем с теории, закончим прототипом.
Данная статья не копипаста из учебника - она просто объясняет принцип работы понижающих DC-DC Step Down конвертеров, и их плюсы.
Соберем простенькую схему состоящую из источника питания GB1, выключателя SW1, катушки L1, диода D1, cветодиода H1 и амперметра М1.
Омическое сопротивление катушки не велико и поэтому после подачи питания светодиод на который можно подавать максимум 2.5V должен будет перегореть, но произойдет это не сразу.
В первый момент после замыкания ключа SW1, катушка L1 обладает большим сопротивлением, так как вся энергия источника питания уходит на создание вокруг нее магнитного поля. Ток в цепи совсем не большой.
По мере того, как магнитное поле вокруг катушки нарастает, ток в цепи начнет увеличиваться.
Максимальный ток на который рассчитан этот виртуальный светодиод составляет 25mA. А зачем нам ждать пока он перегорит? Можно же в этот момент разомкнуть выключатель.
Ток в цепи уменьшился, но не исчез полностью. Уменьшающееся магнитное поле, созданное катушкой L1, наводит в ней ЭДС, которая через диод D1 питает светодиод.
Клацая выключателем c определенной частотой, можно поддерживать в цепи необходимый ток.
В отличии от токоограничивающего резистора или линейного стабилизатора - избыточная энергия источника питания в этой схеме не переводится в бесполезное тепло, а запасается в виде магнитного поля катушки, поэтому такая схема более эффективна.
Функциональная схема DC DC преобразователя понижающего типа
Схема управления следит за напряжением на выходе и нажимает кнопочку (в качестве которой используется транзистор работающий в ключевом режиме) таким образом, чтобы напряжение на выходе оставалась в заданных пределах.
Устройства работающие по такому принципу имеют альтернативные названия – buck, chopper, step-down.
Минусы DC DC преобразователей понижающего типа
Помехи и сложность реализации.
При наличии большого числа специализированных микросхем и готовых модулей собирать дома импульсный DC-DC преобразователь на отдельных дискретных элементах особого смысла не имеет (слишком дорогое получится удовольствие), но одну простую схему в качестве примера использующую данный принцип работы мы разберем.
Схема простого импульсного DC-DC преобразователя на трех транзисторах
С помощью данной схемы можно запитать светодиод от источника питания с напряжением 9-12V.
Для изучения эффективности схемы подключены 2 амперметра. Потребляемый схемой ток при напряжении 9V составляет 15mA. Ток проходящий через светодиод составляет 32mA.
При этом на светодиоде падает напряжение 2.9V
- P(пит) = 9.0*0.015 = 0.135Вт
- P(led) = 2.9*0.032 = 0.093Вт
- КПД = 0.093/0.135*100% = 68.9%
Насколько эффективнее токоограничивающего резистора?
- P(пит) = 9.0*0.032 = 0.288Вт
- P(led) = 2.9*0.032 = 0.093Вт
- КПД = 0.093/0.288*100% = 32.3%
Для этой схемы расчёты можно было и не делать - установка в самоделку импульсного стабилизатора взамен линейного дает дисконт на покупку батареек в 50% :-)
Если нагрузка не подключена - потребление составляет менее 1mA.
Как работает этот самодельный понижающий DC-DC
По диаграмме наверное даже не разобраться, хотя если помедитировать на нее какое-то время....
Лучше по шагам. Для этого для начала отключим нагрузку и подадим питание.
Ток который проходит через резисторы R3 R1 открывает транзистор T2
Через открытый транзистор Т2 открывается транзистор T3.
Транзистор Т1 закрыт так как напряжение между Эмиттером и Базой составляет несколько милливольт (вольтметр М1). Схема потребляет тот самый дежурный ток около 1mA.
Что будет если подключить нагрузку? Мы помним, что в первый момент времени дроссель обладает большим сопротивлением, которое падает по мере того как вокруг него возникает магнитное поле. Потом сопротивление катушки L1 начинает уменьшаться.
Транзисторы Т2 и T3 начинают открываться еще большие. Вместе с тем, начинает расти напряжение между эмиттером и базой транзистора T1 - ведь сопротивление цепочки T3, L1, D2 начинает уменьшаться.
Как только оно достигнет значения 0.6V откроется транзистор T1 откроется и закроет транзистор T3. Магнитное поле в катушке L1 начнет уменьшаться и она превратится в источник питания блокируя транзистор T2 (смотри вольтметр М2). Светодиод питается от накопленной энергии магнитного поля.
Как только энергия магнитного поля в катушке L1 закончится T2 и Т3 снова откроются и процесс повторится.
Понятно, что такая схема функционирует как источник тока вместо источника напряжения и не регулируется. Однако когда речь идет о каком-то простом применении - то при батарейном питании она снижает цену на эти самые батарейки в 2 раза.
Если материал понравился - не забываем ставить лайк (иначе Дзен его больше ни кому не покажет, а писать в пустоту мне как автору не очень интересно).
Оглавление канала тут
Всем удачи!
