Что делает преобразователь. Что такое инвертор напряжения, как он работает, применение инвертора. Использование преобразователей напряжения

Актуальность мощных преобразователей напряжения

Преобразование электрической энергии это одна из основных задач, которая решается на всех этапах производства и передачи её потребителям. Оно позволяет уменьшить потери связанные с электроснабжением удалённых потребителей путём значительного увеличения напряжения. Преобразует его трансформатор или автотрансформатор, присоединённый к генератору, который вращает турбина или иной механический движитель. Трансформатор далее транслирует получаемую энергию в линию электропередачи.

На другом конце этой ЛЭП приёмный трансформатор выполняет новое преобразование напряжения с понижением его величины для распределения на уровне района. Здесь всё повторяется – опять есть районная ЛЭП, трансформаторы и так до тех пор, пока всё не закончится формированием фазных напряжений 220 В 50 Гц. При таком электроснабжении линия электропередачи является основным источником потерь, которые могут составлять почти пятую часть передаваемой мощности. В их основе лежит переменное напряжение.

По этой причине индуктивность и ёмкость ЛЭП определяет величину потерь электроэнергии. Поэтому чтобы значительно уменьшить потери при электроснабжении надо перевести ЛЭП большой протяжённости на постоянное напряжение. Для этого на входе ЛЭП потребуется выпрямитель, а на её выходе – инвертор, то есть устройство, которое из постоянного напряжения сделает переменное напряжение. Такую эффективную систему электроснабжения можно построить только при использовании в инверторе достаточно мощных быстродействующих переключателей (ключей) без механических контактов.

Первыми подобными устройствами были ртутные вентили. Они стали доступны для широкого использования только с середины 20 века. Развитие силовой электроники, которое привело к возможности коммерческого использования быстродействующих запираемых тиристоров и высоковольтных транзисторов примерно с 70-х годов 20 века привело к вытеснению ртутных вентилей из технических решений для мощных инверторов в энергетических системах. Быстродействие для коммутаторов является важнейшим свойством.

Полупроводниковые ключи

Оно позволяет уменьшить потери электроэнергии, которые связаны с изменением сопротивления коммутатора. Сопротивление близко к нулю во включённом состоянии ключа и стремиться к бесконечности (в идеальном случае) при его полном отключении. В этих граничных состояниях электрическая мощность, которая в виде тепла выделяется в ключе, невелика и не опасна для него. Но замедление переходного процесса между ними для ключа несёт в себе опасность его разрушения от перегрева. И эта опасность растёт с увеличением напряжения.

Низковольтные инверторы на полупроводниковых приборах используются уже давно. Они появились вместе с транзисторами, которые являются наилучшими коммутаторами для них. Тиристор, даже запираемый, хуже транзистора, потому что он по сути своей состоит из двух биполярных транзисторов. Он существенно менее устойчив к помехам и его сопротивление во включённом состоянии заметно больше, по сравнению с транзистором. Быстродействие тиристора также хуже, чем у транзистора, особенно в сравнении с полевым транзистором.

Важность быстродействия ключа объясняется тем, что чем быстрее он срабатывает, тем больше частота переменного напряжения может быть получена. А поскольку для преобразования напряжения всё равно потребуется трансформатор как самое эффективное устройство для этого, его масса и габариты будут тем меньше, чем больше частота напряжения на первичной обмотке. Число витков первичной обмотки, которое в основном определяется насыщением сердечника трансформатора, тоже будет меньше, так же как и число витков остальных обмоток зависящих от первичной обмотки.

Трансформатор инвертора, работающий на частоте в несколько сотен Герц, уже получается значительно дешевле трансформатора 50 Гц такой же мощности. Его стоимость уменьшается с увеличением рабочей частоты. Причём удешевление затрагивает не только обмотки, но и сердечник трансформатора. Высокая частота электромагнитного поля вынуждает использовать специальные материалы — ферриты для изготовления магнитопровода инверторного трансформатора. Он формируется методом прессования и спекания, что значительно дешевле изготовления магнитопровода из пластин специальной трансформаторной стали.

Где применяются преобразователи напряжения?

Инвертор используется не только для питания первичной обмотки трансформатора с целью изменения величины напряжения. Ключи управляемы и могут формировать напряжения прямоугольной формы различных частот. Поэтому инвертор, который по специальному алгоритму формирует напряжения одинаковой амплитуды, но разной частоты на входе специального фильтра позволяет получить на его выходе синусоидальное напряжение необходимой частоты. Этот метод носит название «широтно-импульсная модуляция», или сокращённо «ШИМ».

Такие устройства стали очень востребованными в последнее время. Они находят применение в электростанциях, использующих солнечные батареи и также в мини – электростанциях с двигателями внутреннего сгорания. Спрос на устройства малой энергетики непрерывно растёт из-за роста цен на энергоносители. Без инверторов невозможно создание электротранспорта и гибридных автомобильных систем. Они обеспечивают наиболее эффективное управление электродвигателями, что особенно заметно в таких транспортных средствах как метро и пригородные электропоезда, городской электротранспорт.

Частые остановки с последующим разгоном наиболее энергозатратны, а плавность хода подвижного состава при этом необходимые условия его комфортности и безопасности пассажиров. Инверторное управление в электроприводе обеспечивает экономичность и комфортность транспортного средства. Иточники бесперебойного электропитания в основном построены с использованием аккумулятора и преобразователя напряжения на полупроводниковых ключах.

Они с минимальной задержкой способны войти в рабочий режим и обеспечить работоспособность подключенного к ним оборудования без каких-либо сбоев в его работе. В них так же применяется метод ШИМ для формирования синусоидального выходного напряжения. На новый качественный уровень выходит сварка с применением инверторов. Сварочный аппарат, которые ранее весил десятки килограммов и был весьма внушительных размеров, теперь помещается в портфель. А питание электрической дуги при инверторной сварке может быть обеспечено при постоянном напряжении. Это значительно улучшает качество сварного шва.

Однако есть и определённые ограничения для применения инверторов. Главная причина в том, что коммутации сопровождаются электромагнитным излучением с широким спектром частот, в том числе, используемом для радиосвязи. По этой причине даже при соответствующем конструктивном исполнении в виде качественного экранирования радиоприемники будут «слышать» мощный инвертор в широком диапазоне радиочастот. Но это, пожалуй, их единственный недостаток, который не является актуальным на фоне их энергетической эффективности и пользы связанной с ней.

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжениямогут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

• Инвертирующие.
• Повышающие.
• Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

• Ключевой коммутирующий элемент.
• Источник питания.
• Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
• Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
• Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:

• Магнитопровод.
• Первичная и вторичная обмотка.
• Каркас для обмоток.
• Изоляция.
• Система охлаждения.
• Другие элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Существуют и другие виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.

• Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
• Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
• В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
• Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
• Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
• В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.

В иды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:

• Регуляторы напряжения.
• Преобразователи уровня напряжения.
• Линейный стабилизатор напряжения.

Преобразователи переменного тока в постоянный:

• Импульсные стабилизаторы напряжения.
• Блоки питания.
• Выпрямители.

Преобразователи постоянного тока в переменный:

• Инверторы.

Преобразователи переменного напряжения:

• Трансформаторы переменной частоты.
• Преобразователи частоты и формы напряжения.
• Регуляторы напряжения.
• Преобразователи напряжения.
• Трансформаторы разного рода.

Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:

• На пьезоэлектрических трансформаторах.
• Автогенераторные.
• Трансформаторные с импульсным возбуждением.
• Импульсные источники питания.
• Импульсные преобразователи.
• Мультиплексорные.
• С коммутируемыми конденсаторами.
• Бестрансформаторные конденсаторные.

Особенности

• При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
• Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
• По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Применение

• Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6-24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
• Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
• Для питания различных цепей;

— автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
— радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

• Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
• Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

Достоинства и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

• Обеспечение контроля входного и выходного режима тока. Эти устройства трансформируют переменный ток в постоянный, служат в качестве распределителей напряжения постоянного тока и трансформаторов. Поэтому их часто можно встретить в производстве и быту.
• Конструкция большинства современных преобразователей напряжения имеет возможность переключения между разным входным и выходным напряжением, в том числе предполагает выполнение подстройки выходного напряжения. Это позволяет подбирать преобразователь напряжения под конкретный прибор или подключаемую нагрузку.
• Компактность и легкость бытовых преобразователей напряжения, к примеру, автомобильных преобразователей. Они миниатюрны и не занимают много места.
• Экономичность. КПД преобразователей напряжения достигает 90%, благодаря чему существенно экономится энергия.
• Удобство и универсальность. Преобразователи позволяют подключать быстро и легко любой электроприбор.
• Возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния благодаря повышению напряжения и так далее.
• Обеспечение надежной работы критических узлов: охранных систем, освещения, насосов, котлов отопления, научного и военного оборудования и так далее.

К недостаткам преобразователей напряжения можно отнести:

• Восприимчивость преобразователей напряжения к повышенной влажности (кроме преобразователей, специально созданных для работы на водном транспорте).
• Занимают некоторое место.
• Сравнительно высокая цена.

Что такое частотные преобразователи? Следует подумать, а не приспособление ли это, что владеет интеллектом. Оно применяет микроскопический контроллер достаточно большой производительности. Это преобразователи напряжения электрического тока, обладающие большим диапазоном частот. Если вы хотите купить преобразователь частоты обращайтесь на сайт Инстарт .

Есть преобразователи электронного типа, используемые для корректировки скорости крутящегося мотора (так задается напряжение нужной частоты, техпараметры преобразовываются для штатного рабочего режима мотора).
Какие типы самых популярных преобразователей частот есть? Вот:
-Промышленного использования;
-Векториальные;
-ПЧ Для насосов.
Частотные преобразователи для насосов и общепромышленные применяются не чаще всего, намного просты в использовании (при вкл. и выкл. двигателей в конце конкретного рабочего периода). Их можно включить на пару часов, на протяжении данного периода времени не трогать. А векториальные преобразователи (производственная линия, аппарат для прокатки металла и прочих материалов, лифт, подъемный механизм, другое, что имеет большую точность управления) должны быть намного надежными. Среди таких преобразователей есть еще подтипы. Это транзисторные и тиристорные приспособления для изменения частоты электрического напряжения. Тиристорные изменяют частоту регулировки электроприводов, имеют очень большой коэффициэнт полезного действия, стойки к мощному напряжению (высоковольтный подтип). Преобразователи на транзисторах (с изолированным запирающим механизмом) более управляемы, используются там, где необходима самая большая эфективность электро двигатель. На транзисторах выполняют преобразователи не очень большой мощности. Но в действительности сейчас применяются транзисторы (соединены постепенно) в сверхвысоковольтных преобразователях.
Как же работает частотник? Превращает ток при помощи 6-ти диодов, разрешающих ему перемещаться в одном направлении.

Хочется обратить собственное внимание еще на одно. Специальный эффект получается, если применяются частотные преобразователи там, в которых транспортируется обыкновенная вода, иная жидкость. На объектах по перевозке применяются же преобразователи Bosch VFC3610(взамен задвижек или клапанов).

Изготовителей частотных преобразователей, которые претендуют на лидерство, на так уж и много. Это «БОШ РЕКСРОТ», «ДАНФОСС», «ХЮНДАЙ», «МИЦУБИСИ ЭЛЕКТРИК», «ЭЙБИБИ», «ЭЛДЖИ», «ОУБЭН», «ЭМЕРСОН» и т.д.

Прекрасно бы в поисках изготовителя частотного преобразователя ориентироваться на выверенные компании. Ведь именно так можно определить, какие «детали» доступны для устройств, что за оборудование нужно заменить. Частотные преобразователи нашли большое применение там, где необходима защита электрического двигателя от пропадания фазы, электротермических перегрузок, ударных нагрузок. Частотный преобразователь можно собрать и собственными руками (дома). Преобразователи частотного диапазона нужны с целью решения ряда типовых задач любой фирмы или предприятия. Современные «преобразующие» устройства имеют много доп. опций и расширений.

Асинхронный двигатель – простой, надежный и недорогой механизм.

Поэтому он активно применяется в промышленных агрегатах самого разного назначения. Но он имеет ряд недостатков, для устранения которых используются частотные преобразователи.

Задачи и преимущества частотных преобразователей.

В первую очередь частотный преобразователь снижает расход энергии электродвигателям, причем экономия может доходить до 60%.

Такой показатель полностью оправдывает использование преобразователя, но помимо экономии данные устройства обладают рядом других полезных свойств:

Плавный запуск и торможение двигателя.

Возможность очень точной регулировки интенсивности вращения вала, от нуля до превышающей номинальную.

Необходимый для запуска и работы ток ограничивается номинальными показателями.

Повышение общей производительность системы с электродвигателем.

• Увеличение срока службы оборудования всей системы.

Благодаря большому количеству преимуществ и полезных функций, частотные преобразователи получили распространение во многих сферах.

Сегодня практически ни одно промышленное производство не обходится без их использования, распространены они и в коммунальной и бытовой сферах, позволяя пользоваться многими устройствами с большим комфортом.

Где используются частотные преобразователи?

Благодаря возможности контролировать мощность и скорость работы двигателя, а также предотвращать перегрузку, частотные преобразователи применяются во всех агрегатах, где в течение рабочего процесса требуется регулировка его интенсивности.

Насосные механизмы в водопроводных сетях всех типов, также они применяются в котельных и других системах, где требуется регулируемая подача воды.

Пусковые насосы на обогатительных фабриках, а также в конвейерах, ротангах и других производственных транспортных средствах.

Центрифуги всех типов, различные дробилки, мельницы, мешалки и другое подобное оборудование.

Металлургическое и буровое оборудование.

Приводы производственных станков и любые механизмы с высокими оборотами.

Экскаваторы, лифты, подъемные краны, различные силовые манипуляторы.

• Контрольно-измерительные приборы.

Можно сказать, что частотные преобразователи применяются в любой технике, работающей на асинхронном двигателе, рабочий процесс которой требует контроля, регулировки, плавного пуска и требует защиты от перегрузок.

Также преобразователи в целях экономии необходимы там, где работа двигателя потребляет большое количество электроэнергии.

С их помощью получается возможным создавать сложные системы с различной мощностью на отдельных участках и повышать общую производительность труда.

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

DC/DC преобразователи

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальные преобразователи - SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи - inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция - ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.

Рис.3. Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Рис.5. Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающие step-up или boost преобразователи

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.