Преобразователь постоянного тока в постоянный, или DC-DC преобразователи, — это силовая электронная схема, которая эффективно преобразует постоянный ток из одного напряжения в другое. Несомненно, DC-DC преобразователи играют неотъемлемую роль в современной электронике. Это связано с тем, что они обладают рядом преимуществ по сравнению с линейными регуляторами напряжения. Линейные регуляторы напряжения, в частности, рассеивают много тепла и имеют очень низкую эффективность по сравнению с импульсными регуляторами, используемыми в DC-DC преобразователях.
Введение в курс
Прежде чем углубляться в принципы работы DC-DC-преобразователей, давайте рассмотрим пример, который показывает, почему они так полезны. Предположим, мы хотим построить схему со следующими требованиями:
- Сопротивление нагрузки - 2 Ом
- Источник питания постоянного тока - 12 В
- Напряжение нагрузки - 5 В
Нам необходимо понизить напряжение батареи 12 В, чтобы подать на нагрузку 5 В. Поэтому мы можем поместить резистор сопротивлением 2,8 Ом последовательно с нагрузкой, чтобы обеспечить необходимое напряжение.
Расчет эффективности DC-DC преобразователя
Эффективность схемы можно рассчитать следующим образом:
Из этих расчетов мы видим, что нагрузка потребляет только 12,5 Вт входной мощности. Оставшаяся часть (30 – 12,5 = 17,5 Вт) преобразуется в тепло.
Теперь это слишком расточительно. Если вы коснетесь последовательного резистора, он будет горячим, и нам, возможно, придется включить механизмы для охлаждения схемы. В качестве попытки получить более эффективное решение взгляните на схему, показанную на рисунке ниже:
Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ, входное напряжение составляет 0 В, а когда элемент управления находится в положении ВКЛ, входное напряжение составляет 12 В. На схеме ниже показаны эквивалентные цепи для положений переключателя ВКЛ и ВЫКЛ соответственно.
Если мы управляем переключателем, как показано на схеме (а) ниже, мы получаем график напряжения, показанный на схеме (б) ниже. T — это период переключения, а его единицы измерения — миллисекунды или микросекунды.
В этом случае среднее выходное напряжение такого переключения составляет 5 В, поскольку:
Среднее выходное напряжение этой схемы составляет 5 В, но мы можем улучшить выходную форму сигнала, используя RC-фильтры, чтобы избавиться от гармоник.
Если предположить, что переключатель идеальный (идеальный переключатель — это переключатель, который не потребляет и не рассеивает мощность от источника), мы можем рассчитать эффективность этой схемы как 100%. Когда переключатель находится в положении ВКЛ, ток, протекающий через цепь, составляет 6 А. Поскольку у нас идеальный переключатель, рассеиваемая мощность составляет P_diss = RI^2 = 0 * 9^2 = 0 Вт. Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ, ток через переключатель не течет, поэтому в этом случае рассеиваемая мощность также равна 0.
Однако в реальном сценарии может быть сложно найти идеальный переключатель. Это означает, что в реальности будет рассеиваться некоторая мощность, но эффективность преобразования высока, несмотря на эти рассеивания.
Подписывайтесь на мой Телеграм-канал https://t.me/+2_mpnJYjogIxODRi
Повышающие преобразователи
Повышающие преобразователи повышают напряжение источника питания. Например, повышающий преобразователь может взять источник питания 5 В и повысить его до 25 В. Обычно повышающие преобразователи постоянного тока можно найти в зарядных устройствах или солнечных панелях. Их также можно использовать для питания компонентов с различным рабочим напряжением от одной и той же батареи.
Эта конфигурация повышает напряжение постоянного тока до уровня, определяемого выбором компонентов в вашей схеме. Вот общая схема повышающего преобразователя.
Преобразователь ВКЛючен
Преобразователь ВЫКЛючен
Базовая конфигурация состоит из источника постоянного тока (Vin), индуктора (L), диода (D), коммутационного устройства (SW), сглаживающего конденсатора (C) и сопротивления нагрузки (Load). Vout — выходное напряжение.
Переключатель обычно представляет собой силовое электронное устройство, такое как МОП-транзистор (MOSFET) или биполярный транзистор, управляемый сигналом ШИМ. Этот сигнал ШИМ работает, переключая транзистор очень быстро, обычно тысячи раз в секунду.
Как работают повышающие преобразователи
Чтобы понять, как работает повышающий преобразователь, давайте сначала разберемся, как работает катушка индуктивности.
Напомним, что индуктор — это пассивный электронный компонент, который может хранить электрическую энергию в форме магнитной энергии. Мы можем использовать это свойство для управления выходным напряжением нашей схемы. Вот как это работает:
- Если мы РАЗМЫКАЕМ переключатель, как показано на схеме «Преобразователь выключен» выше, меньший ток течет от батареи через индуктор, через диод и заряжает конденсатор.
- Когда мы ЗАМЫКАЕМ переключатель, как показано на схеме «Преобразователь включен» выше, больший ток будет течь от батареи через индуктор и через переключатель, потому что теперь у нас есть путь наименьшего сопротивления. Теперь индуктор ведет себя интересно. Поскольку теперь у нас большее значение тока, протекающего через цепь, магнитное поле индуктора будет расширяться. Это означает, что индуктор хранит энергию, и во время этого процесса потенциал на индукторе будет положительным слева и отрицательным справа.
- Когда мы снова РАЗОМКНЕМ переключатель, ток, текущий через цепь, перестанет быть большим из-за высокого сопротивления. Когда ток, текущий через цепь, уменьшится, магнитное поле через индуктор исчезнет. В процессе этого электрическая энергия, которая была сохранена, теперь высвобождается. Это приводит к изменению полярности индуктора. Теперь у нас отрицательная полярность на левой стороне и положительная на правой стороне индуктора. Если вы посмотрите внимательно, индуктор теперь включен последовательно с батареей.
Ток через индуктор не может измениться мгновенно. Поэтому индуктор будет пытаться поддерживать это изменение, генерируя большое напряжение. Это означает, что теперь у нас есть напряжение, генерируемое индуктором, и напряжение от батареи на конденсаторе. Предположим, мы продолжаем включать и выключать переключатель. У нас будет выходное напряжение, которое выше напряжения батареи.
Как сделать повышающий преобразователь?
В этом проекте мы создаем повышающий преобразователь постоянного тока 1,5 В в 5 В. Вот компоненты, которые вам понадобятся, если вы хотите построить эту схему:
- Источник питания постоянного тока 1,5 В
- Один индуктор 180 мкГн
- Один диод 1N3491
- Один конденсатор 33 мкФ
- Один резистор 150 Ом
- Один транзистор MOSFET или JFET
- Источник ШИМ, такой как Arduino Uno или таймер 555, который может генерировать 50 кГц, 5 В, 75% рабочий цикл
Вот схема:
Понижающие преобразователи?
Понижающие преобразователи снижают напряжение источника питания. Это силовая электронная схема, которая понижает постоянное напряжение до уровня, определяемого выбором компонентов в вашей схеме.
В отличие от линейных регуляторов, которые снижают напряжение, рассеивая мощность в виде тепла, понижающие преобразователи снижают напряжение, увеличивая ток.
Вот общая схема понижающего преобразователя.
Включен
Выключен
Обратите внимание, что это те же компоненты, которые мы находим в повышающем преобразователе, но их расположение иное.
Как работают понижающие преобразователи
Чтобы получить выходное напряжение ниже напряжения батареи, мы подключаем переключатель перед индуктором. Когда мы включаем и выключаем переключатель в этой конфигурации, среднее выходное напряжение будет ниже напряжения батареи.
Вот что происходит:
- Если переключатель (SW) замкнут, ток будет протекать через переключатель в цепь. По мере увеличения тока магнитное поле индуктора будет расширяться. Пока это происходит, индуктор накапливает энергию в своем магнитном поле. Как и прежде, полярность индуктора будет положительной слева и отрицательной справа. Это противоположное напряжение противодействует напряжению источника и, следовательно, снижает чистое напряжение на нагрузке.
- Когда мы размыкаем переключатель, магнитное поле индуктора разрушается, и ток будет течь от индуктора через диод. Этот ток добавится к току, который течет на первом этапе, в состоянии ВЫКЛ. Вот почему средний ток увеличивается в этом типе преобразователя. Это также компенсирует пониженное напряжение, следовательно, сохраняет мощность, подаваемую на нагрузку.
Как сделать понижающий преобразователь?
- Источник питания постоянного тока 12 В
- Один транзистор MOSFET или JFET
- Один диод 1N3491
- Один индуктор 100 мкГн
- Один конденсатор 50 мкФ
- Один резистор 4,7 Ом
- Источник ШИМ, например, Arduino или таймер 555
Вот схема:
В этом уроке я рассказал о двух основных типах DC-DC- преобразователей — понижающих и повышающих. Я также рассказал, как они работают и как строить схемы для них. Не стесняйтесь оставлять комментарии ниже, если у вас есть какие-либо вопросы!
Подписывайтесь на мой Телеграм-канал https://t.me/+2_mpnJYjogIxODRi