19K подписчиков

Как и зачем работает импульсный понижающий DC-DC преобразователь

627 прочитали

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.

Общий принцип работы импульсного DC-DC преобразователя
Общий принцип работы импульсного DC-DC преобразователя

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.

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.-2

По мере того, как магнитное поле вокруг катушки нарастает, ток в цепи начнет увеличиваться.

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.-3

Максимальный ток на который рассчитан этот виртуальный светодиод составляет 25mA. А зачем нам ждать пока он перегорит? Можно же в этот момент разомкнуть выключатель.

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.-4

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.

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.-5

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

Работа DC DC преобразователя понижающего типа
Работа 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.

Эта схема была разработана с целью получения питания напряжением 5 В от автомобильного аккумулятора для работы микрокомпьютера BBC
Эта схема была разработана с целью получения питания напряжением 5 В от автомобильного аккумулятора для работы микрокомпьютера BBC

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.

Простой импульсный преобразователь на 3х транзисторах
Простой импульсный преобразователь на 3х транзисторах

Для изучения эффективности схемы подключены 2 амперметра. Потребляемый схемой ток при напряжении 9V составляет 15mA. Ток проходящий через светодиод составляет 32mA.

Тест самодельного импульсного понижающего DC-DC преобразователя
Тест самодельного импульсного понижающего DC-DC преобразователя

При этом на светодиоде падает напряжение 2.9V

Самодельный импульсный драйвер для питания светодиода
Самодельный импульсный драйвер для питания светодиода
  • 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?

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.-11
  • 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.

Энергопотребление импульсного стабилизатора в дежурном режиме
Энергопотребление импульсного стабилизатора в дежурном режиме

Как работает этот самодельный понижающий DC-DC

По диаграмме наверное даже не разобраться, хотя если помедитировать на нее какое-то время....

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.-13

Лучше по шагам. Для этого для начала отключим нагрузку и подадим питание.

Ток который проходит через резисторы R3 R1 открывает транзистор T2

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.-14

Через открытый транзистор Т2 открывается транзистор T3.

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.-15

Транзистор Т1 закрыт так как напряжение между Эмиттером и Базой составляет несколько милливольт (вольтметр М1). Схема потребляет тот самый дежурный ток около 1mA.

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.-16

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.

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.-17

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.

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.-18

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.

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.-19

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!