Однотактні імпульсні перетворювачі
Прості схемиімпульсних перетворювачів постійної напругидля живлення радіоаматорських пристроїв
Доброго дня, шановні радіоаматори!
Сьогодні на сайтіми розглянемо кілька схем нескладних, навіть можна сказати – простих, імпульсних перетворювачів напруги DC-DC(перетворювачів постійної напруги однієї величини, постійної напруги іншої величини)
Чим хороші імпульсні перетворювачі. По-перше, вони мають високий ККД, і по-друге, можуть працювати при вхідній напрузі нижче вихідного.
Імпульсні перетворювачіподіляються на групи:
- Знижувальні, що підвищують, інвертують;
- Стабілізовані, нестабілізовані;
- гальванічно ізольовані, неізольовані;
– з вузьким та широким діапазоном вхідної напруги.
Для виготовлення саморобних імпульсних перетворювачів найкраще використовувати спеціалізовані інтегральні мікросхеми – вони простіші у складання та не примхливі при налаштуванні.
Перша схема.
Нестабілізований транзисторний перетворювач:
Цей перетворювач працює на частоті 50 кГц, гальванічна ізоляція забезпечується трансформатором Т1, який намотується на кільці К10х6х4,5 з фериту 2000НМ і містить: первинна обмотка – 2х10 витків, вторинна обмотка – 2х70 витків дроту ПЕВ. Транзистори можна замінити на КТ501Б. Струм від батареї, за відсутності навантаження, практично не споживається.
Друга схема. 
Трансформатор Т1 намотується на феритовому кільці діаметром 7 мм і містить дві обмотки по 25 витків дроту ПЕВ=0,3.
Третя схема.
: 
Двотактний нестабілізований перетворювач на основі мультивібратора (VТ1 та VТ2) та підсилювача потужності (VТ3 та VТ4). Вихідна напруга підбирається кількістю витків вторинної обмотки імпульсного трансформатораТ1.
Четверта схема.
Перетворювач на спеціалізованій мікросхемі:
Перетворювач стабілізуючого типу на спеціалізованій мікросхемі фірми MAXIM. Частота генерації 40...50 кГц, накопичувальний елемент - дросель L1.
П'ята схема.
Нестабілізований двоступінчастий помножувач напруги:
Можна використовувати одну з двох мікросхем окремо, наприклад, другу, для множення напруги від двох акумуляторів.
Шоста схема.
Імпульсний стабілізатор, що підвищує, на мікросхемі фірми MAXIM:
Типова схема включення імпульсного стабілізатора, що підвищує, на мікросхемі фірми MAXIM. Працездатність зберігається при вхідному напрузі 1,1 вольта. ККД – 94%, струм навантаження – до 200 мА.
Сьома схема.
Дві напруги від одного джерела живлення
: 
Дозволяє отримувати дві різні стабілізовані напруги з ККД 50…60% та струмом навантаження до 150 мА у кожному каналі. Конденсатори С2 та С3 – накопичувачі енергії.
Восьма схема.
Імпульсний стабілізатор, що підвищує, на мікросхемі-2 фірми MAXIM:
Типова схема включення спеціалізованої мікросхеми фірми MAXIM. Зберігає працездатність при вхідній напрузі 0,91 вольт, має малогабаритний SMD корпус і забезпечує струм навантаження до 150 мА при ККД - 90%.
Дев'ята схема.
ГОУ СПО Кіровський Авіаційний технікум
ДОКЛАД
з електроживлення СВТ
"Однотактні імпульсні перетворювачі"
Студента гурту ВП-34
Бєляєва П.Ю.
| 1. Введення. Деякі поняття. | 3 |
| 2 Первинні ІІП | 5 |
| 2.1 Прямоходові та зворотноходові перетворювачі | 5 |
| 8 | |
| 10 | |
| 2.4 Мостовий перетворювач | 11 |
| 3 Вторинні ІІП | 13 |
| 4 Імпульсні перетворювачі | 15 |
| 15 | |
| 4.2 Імпульсний однотактний перетворювач постійної напруги. Конвертор | 16 |
| 5 Висновок | 19 |
| 5.1 Електромагнітні та радіоперешкоди, створювані ІІП. | 19 |
| 5.2 Інтегральні мікросхемидля ІІП. | 19 |
| 5.3 Режим повторних включень ІІП. | 20 |
| 5.4 ІІП із підтримкою харчування | 21 |
| 6 Література | 22 |
1. Введення. Деякі визначення
Імпульсні (ключові) джерела живлення – ІІП (SMPS) – це сучасні джерела живлення з високим ККД. Традиційні лінійні джерела живлення із послідовним регулюючим елементом зберігають постійне вихідна напругапри зміні вхідної напруги або струму навантаження завдяки зміні опору. Тому лінійний регулятор (стабілізатор) може бути дуже неефективним. Імпульсне джерело живлення, однак, використовує високочастотний ключ (транзистор) зі змінними величинами включеного-вимкненого станів, щоб стабілізувати вихідну напругу. Пульсації вихідної напруги, викликані ключовим режимом, відфільтровані фільтром LC.
ІІП можуть знижувати напругу живлення, як і, як і лінійні. На відміну від лінійного регулятора (стабілізатора), ІІП може також збільшувати напругу живлення та інвертувати вихідну напругу. Типові схемизастосування даються нижче.
Типове застосування для понижуючого імпульсного (ключового) регулятора:
Формування напруги 5 В для живлення ланцюгів ТТЛ від 12 В батареї (особливо якщо 12 В батарея обмеженої ємності, оскільки ключові стабілізатори набагато більш ефективні ніж лінійні стабілізатори).
Типове застосування для підвищуючого імпульсного регулятора:
Формування 25 від напруги 5 для живлення програмованого ПЗУ.
Типове застосування для імпульсного регулятора, що інвертує:
Формування двополярної напруги від однополярної для живлення операційних підсилювачів.
Формування негативного усунення для мікросхем динамічного ОЗУ.
Термін імпульсний регуляторвикористовується для опису схеми, яка перетворює постійну напругу у вихідний сигнал також постійної напруги тієї ж самої або протилежної полярності нижчого або більше високої напруги. Імпульсні регулятори використовують дроселі та не забезпечують гальванічної розв'язки між входом та виходом.
Термін імпульсний перетворювачвикористовується для опису схеми, яка перетворює постійну напругу в один або кілька вихідних сигналів також постійної напруги нижчої або вищої напруги. Імпульсні перетворювачі використовують трансформатор і забезпечують гальванічну розв'язку (ізоляцію) між входом та виходами, а також між виходами.
Термін імпульсне джерело живлення - ІІП (SMPS)використовується для опису імпульсних регуляторів та перетворювачів.
Малюнок 1.
Додаткова обмотка трансформатора прямоходового перетворювача гарантує, що на момент включення ключа магнітне поле сердечника трансформатора нульове. За відсутності додаткової обмотки після кількох періодів перемикання сердечник трансформатора увійде в насичення, струм первинної обмотки надмірно збільшиться, таким чином ключ (тобто транзистор) вийде з ладу.
Тимчасові діаграми напруги та струмів для прямоходового перетворювача показані на малюнку 2.
Намагнічуючий струм
Рисунок 2.
Вихідна напруга прямоходового перетворювача дорівнює середньому значенню напруги на вході LC фільтра і дорівнює:
V out = V in x (n2/n1) x (T on x f)
де:
T on - час увімкненого стану ключа
f - частота перемикання
Зворотноходовий (flyback) перетворювач
Рисунок 3.
Вихідна напруга для зворотноходового перетворювача (трапецієдальна форма електричного струму) може бути розраховано так:
V out =V in x (n2/n1) x (T on x f) x (1/(1-(T on x f)))
де:
n2 – число витків вторинної обмотки T1
n1 - число витків первинної обмотки T1
T on - час увімкненого стану ключа Q1
Cхема управління контролює V out і керує шпаруватістю (часом включеного стану ключа Q1).
Якщо V in збільшується, схема управління зменшить шпаруватість, щоб зберегти постійну вихідну напругу. Аналогічно, якщо струм навантаження зменшиться і V out збільшиться, схема управління діятиме таким же чином. Навпаки, зменшення V in або збільшення струму навантаження збільшить шпаруватість.
Зауважимо, що вихідна напруга змінюється, коли змінюється коефіцієнт заповнення T on x f. Однак залежність між вихідною напругою та коефіцієнтом заповнення – не лінійна, як мала місце у прямоходовому перетворювачі, це – гіперболічна функція.
Струм у зворотному ходовому перетворювачі може мати або трапецеїдальну, або пилкоподібну форму. Трапецеїдальна форма струму буде в тому випадку, якщо ключовий транзистор включається до того, як струм вторинної обмоткиспаде до нуля. Якщо пилкоподібний струм у вторинній обмотці встигає досягти нуля, то з'являється "мертвий час", коли немає жодного струму ні у вторинній обмотці, ні у первинній.
Рисунок 4.
2.2 Двотактний (Push Pull) перетворювач
Малюнок 5.
Двотактний перетворювач належить до прямоходових. Як показано на малюнку 5, коли ключ Q1 включений, струм тече через верхню половину первинної обмотки T1 та магнітне поле у сердечнику T1 зростає. Зростаюче магнітне поле T1 індукує напругу у вторинній обмотці T1 такої полярності, що діод D2 зміщений у прямому, а D1 - у зворотному напрямку. D2 проводить і заряджає вихідний конденсатор C2 через дросель L1. L1 та C2 складають схему фільтра. Коли ключ Q1 вимикається, магнітне поле в трансформаторі T1 спадає, і після часу паузи (що залежить від шпаруватості ШІМ), Q2 включається, струм тече через нижню половину первинної обмотки T1 і магнітне поле в сердечнику T1 зростає у протилежному напрямку. Зростаюче магнітне поле T1 індукує напругу у вторинній обмотці T1 такої полярності, що діод D1 зміщений у прямому, а D2 - у зворотному напрямку. D1 проводить та заряджає вихідний конденсатор C2 через дросель L1. Після закінчення мертвого часу включається ключ Q1 і повторюється.
Є дві важливі міркування, що стосуються двотактного перетворювача:
- Обидва транзистори не повинні проводити одночасно, оскільки це було б еквівалентно короткому замиканню джерела живлення. Це означає, що час увімкненого стану кожного ключа не повинен перевищувати половину періоду, інакше накладуться провідні стани ключів.
- Магнітний режим обох половин первинної обмотки (вольт-секундні майданчики) повинен бути строго однаковий, інакше трансформатор може увійти в насичення, і це викликало б вихід із ладу ключів Q1 та Q2.
Ці критерії повинні задовольнятися схемою керування та драйвером.
Вихідна напруга V out дорівнює середньому значенню напруги на вході LC фільтра:
V out = V in x (n2/n1) x f x (T on, q1 + T on, q2)
де:
V out - середня вихідна напруга -
V in - Напруга живлення - В
n2 - число витків вторинної обмотки
n1 – половина загальної кількостівитків первинної обмотки
f - частота перемикання - Гц
T on, q1 – час включеного стану ключа Q1 – з
T on, q2 – час включеного стану ключа Q2 – з
Cхема управління контролює V out і керує увімкненим станом ключів Q1 і Q2.
Якщо V in збільшується, схема управління зменшить шпаруватість, щоб зберегти постійну вихідну напругу. Аналогічно, якщо струм навантаження зменшиться і V out збільшиться, схема управління діятиме таким же чином. Навпаки, зменшення V in або збільшення струму навантаження збільшить шпаруватість. Тимчасові діаграми малюнку 6 показують струми двухтактного перетворювача.
Рисунок 6.
2.3 Напівмостовий перетворювач
Рисунок 7.
Напівмостовий перетворювач подібний до двотактного перетворювача, тільки не потрібно робити відведення від середини первинної обмотки. Зміна напряму магнітного поля досягається зміною напрямок струму первинної обмотки. Цей тип перетворювача застосовується у перетворювачах великої потужності.
Для напівмостового перетворювача вихідна напруга V out дорівнює середнього значення напруги на вході LC фільтра.
V out = (V in /2) x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)
де:
f - робоча частота - Гц
Зауважимо, що T on,q1 має дорівнювати T on,q2 і що Q1 і Q2 ніколи не повинні проводити одночасно.
Схема управління напівмостового перетворювача подібна до схеми управління двотактного перетворювача.
2.4 Мостовий перетворювач
Малюнок 8.
Мостовий перетворювач подібний до двотактного перетворювача, тільки не потрібно робити відведення від середини первинної обмотки. Зміна напряму магнітного поля досягається зміною напрямок струму первинної обмотки. Цей тип перетворювача застосовується у перетворювачах великої потужності.
Для мостового перетворювача вихідна напруга V out дорівнює середнього значення напруги на вході LC фільтра.
V out = V in x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)
де:
V out - вихідна напруга -
V in - вхідна напруга -
n2 - 0.5 x кількість витків вторинної обмотки
n1 - кількість витків первинної обмотки
f - робоча частота - Гц
T on,q1 - час включеного стану ключа Q1 - з
T on,q2 - час включеного стану ключа Q2 - з
Діагональні пари транзисторів по черзі проводять, таким чином досягаючи зміни напрямку струму первинної обмотці трансформатора. Це можна пояснити так - коли включені ключі Q1 і Q4, струм буде текти "вниз" через первинну обмотку трансформатора (втікати в початок обмотки), а коли включені ключі Q2 і Q3, струм буде текти "вгору".
Схема управління контролює Vout і керує шпаруватістю імпульсів управління ключів Q1, Q2, Q3 та Q4.
Схема управління працює так само, як і для двотактного та напівмостового перетворювача, за винятком того, що треба керувати чотирма транзисторами, а не двома.
3 Вторинні ІІП
Імпульсне джерело живлення, яке дає низьку напругу, ізольоване від первинного джерела, часто називається вторинним ІІП. Типова блок-схема такого джерела живлення показана малюнку 9.
Рисунок 9.
Фільтр, показаний у лівій частині блок-схеми, необхідний для запобігання влученню в сет перешкод із джерела живлення. Він також допомагає оберігати ланцюги ІІП від імпульсів напруги (або стрибки напруги) у мережі змінного струму.
Типова силова частина такої схеми показана малюнку 10.
Рисунок 10.
Конденсатор при живленні від мережі змінного струму 220 В заряджається до напруги приблизно 310 (340 В для 240 В). Резистор R1 – низькоомний (номінал від 2 до 4 Ом), який захищає схему від кидків струму при заряді конденсатора C1 під час подачі живлення. Q1 - високовольтний МОП-транзистор, який використовується як швидкодіючий ключ, що перемикає імпульс живлячого струму в феритовому високочастотному трансформаторі T1. Частота перемикання зазвичай лежить у діапазоні від 25 до 250 кГц. Елементи R2 і C2 складають захисний ланцюг (snubber), який зменшує викиди напруги та шуми перемикача. Стабілізація досягається завдяки контролю за вихідною напругою у точці "FB" та регулювання ширини вхідних імпульсів драйвера ключа Q1. Запобіжник FS2 необхідний для захисту від короткого замиканнята навантаження. FS2 іноді замінюється датчиком струму, який замикає під час навантаження драйвер ключа Q1.
4 Імпульсні перетворювачі
У лінійному джерелі живлення, що регулюється, силовий трансформатор промислової частоти використовується для ізоляції, а потім випрямляч і лінійний регулятор використовуються для формування вихідної напруги.
У керованому ІІП ізоляція та регулювання об'єднані в єдине ціле, що має високий ККД. У ІІП використовується маленький високочастотний трансформатор, що зазвичай працює в діапазоні частот від 25 до 250 кГц (хоча в малопотужних ІІП до 1 МГц).
Трансформатори та дроселі, що використовуються для ІІП, мають феритові сердечники на противагу листовим залізним сердечникам їх більш низькочастотних двійників. Трансформатори ІІП взагалі мають меншу кількість витків в обмотках, ніж трансформатори промислової частоти.
4.1 Однотактний перетворювач напруги
Однотактний перетворювач напруги містить трансформатор, первинна обмотка якого складається з двох частин з числом витків w1 і w2, перший транзистор, з'єднаний з блоком управління, і другий транзистор, шунтований зворотним діодом. Між емітерами транзисторів увімкнено конденсатор. Колектори першого та другого транзисторів з'єднані з крайніми висновками обмоток трансформатора. Крім того, колектор першого транзистора через резистор, шунтований послідовним RC-ланцюгом, що утворюють токозадающий ланцюг, з'єднаний з входом управління другого транзистора.
Як перший і другий транзистори в даному перетворювачі можуть бути використані будь-які інші ключові елементи, наприклад, МОП транзистори і т.д.
Однотактний перетворювач постійної напруги працює в такий спосіб.
При надходженні сигналу, що відпирає, на базу транзистора останній відкривається, до обмотки трансформатора прикладається вхідна напруга. При цьому до керуючого переходу транзистора прикладається напруга, що замикає, практично рівне напрузі конденсатора, і він замикається. Через другий транзистор протікає сума струмів намагнічування сердечника трансформатора та навантаження. Після закінчення керуючого імпульсу транзистор замикається, струм намагнічування замикається через діод, конденсатор та обмотку. До керуючого електрода другого транзистора прикладається напруга, що відмикає, рівну різниці колекторної напруги першого транзистора і напруги конденсатора. Другий транзистор відмикається, забезпечуючи протікання струму намагнічування у зворотному напрямку.
Завдяки конденсатору струм намагнічування протікає безперервно протягом усього періоду проходження імпульсів з блоку управління і середнє значення цього струму дорівнює нулю. Це призводить до того, що напруга, що розмагнічує, прикладається до обмотки протягом всього часу замкненого стану першого транзистора, а перемагнічування сердечника трансформатора здійснюється по повному циклу з малою амплітудою струму намагнічування.
Таким чином, у запропонованому пристрої зменшено втрати потужності на резистори, включеному в керуючому ланцюгу додаткового ключа, за рахунок зниження напруги на ньому.
4.2 Імпульсний однотактний перетворювач постійної напруги . Конвертор.
Імпульсні перетворювачі постійної напруги (ІППН) регулюють вихідну напругу (напругу на навантаженні) шляхом зміни часу подачі напруги Uo на навантаження Zн. Найчастіше застосовують широтно-імпульсний (ШИР) та частотно-імпульсний (ЧІР) способи регулювання. Принцип дії ІППН заснований на ключовому режимі транзистора або тиристора, які періодично переривають ланцюг подачі напруги U0 на навантаження (Малюнок 11). При широтно-імпульсному способі вихідна напруга регулюють зміною тривалості вихідних імпульсів tі (рисунок 12) при незмінному періоді їхнього прямування Т. Тоді середнє значення вихідної напруги перетворювача буде визначатися за формулою Uн.ср = (tі / T) * Uо. Отже, вихідну напругу регулюють від нуля (при tі=0) до U(tі=T).
Рисунок 11.
Рисунок 12.
На малюнку 13 зображено схему широко поширеного ІППН. Такий перетворювач називають однотактним. Як ключ служить тиристор. Між навантаженням Zн і тиристором включений LC-фільтр, що згладжує.
Рисунок 13.
Діод Д, який виконує функції зворотного діода, необхідний для створення електричного ланцюгадля струму навантаження при вимкненому тиристорі.
Однотактні ІППН працюють за потужності 100 кВт. Якщо потрібна велика потужність, вдаються до багатотактних ІППН.
У всіх ІППН відмикання провідникових ключів проводиться шляхом примусової подачі на тиристор (транзистор) комутувальних імпульсів, замикання ж тиристорів здійснюється напругою конденсатора, що періодично перезаряджається. Природно, що комутаційний блок ІППН має деяку відмінність від подібних блоків в автономних інверторах.
Зазначимо, що регулювання постійної напруги на навантаженні під час живлення від мережі змінного струму можна здійснити за допомогою ІППН. Невелике падіння напруги на відкритому напівпровідниковому ключі і дуже малий струм при його замкненому стані визначають високий ККД імпульсних перетворювачів постійної напруги. Щодо цього некерований випрямляч, що працює в парі з ІППН, успішно конкурує з керованим випрямлячем.
Перевага імпульсних перетворювачів постійної напруги в порівнянні з конверторами з самозбудженням є те, що в ІППН як ключі застосовують тиристори, які в даний час випускаються на напруги до кількох кіловольт. Це дозволяє створити конвертори великої потужності (понад 100 кВт) з високим ККД, меншими габаритами та масою. Конвертори отримали широке застосування в установках, в яких первинним джерелом живлення є контактна мережа, акумулятори, сонячні та атомні батареї, термоелектричні генератори.
5 Висновок
5.1 Електромагнітні та радіоперешкоди, створювані ІІП
Відомо, що імпульсні джерела живлення створюють електромагнітні та радіоперешкоди. НЧ фільтри в проводах, що підводять, життєво важливі для зменшення наведень по ланцюгах живлення. Екран Фарадея між обмотками трансформатора та навколо чутливих компонентів разом з правильним розташуванням у блоці ланцюгів, що компенсує поля, також зменшують електромагнітні та радіоперешкоди. Проблема згладжування струму пилкоподібної форми потребує застосування фільтрового конденсатора. Індуктивність та опір (послідовно включені) стандартних електролітичних конденсаторів впливають на пульсації та напруги шуму у вихідних сигналах. Лінійні джерела живлення не мають собі рівних у малопотужних і дуже малошумних із низькими пульсаціями у вихідних сигналах джерелах.
5.2 Інтегральні мікросхеми для ІІП
Mullard:
TDA2640
TDA2581
SGS:
L4960
Діапазон вхідної напруги – 9 – 50 В постійного струму
Регульована вихідна напруга – від 5 до 40 В
Максимальний вихідний струм – 2.5 А
Максимальна вихідна потужність – 100 Вт
Вбудована схема плавного увімкнення
Стабільність внутрішнього опорного джерела - + - 4 %
Вимагає дуже невеликої кількості навісних компонентів
Коефіцієнт заповнення – 0 – 1
Високий ККД - вище 90%
Вбудований тепловий захист від навантаження: мікросхема вимикається, коли температура pn-переходу досягає 150 град. C.
Вбудований обмежувач струму для захисту від короткого замикання
L4962 (16-вивідний DIP корпус. Вихідний струм до 1.5 А)
L4964 (спеціальний 15-вивідний корпус. Вихідний струм до 4 А)
Texas Instruments:
TL494
TL497
TL497 має генератор з фіксованим часом включеного стану, але зі змінною вихідною частотою. Це дає мінімальна кількістьнавісні елементи. Час увімкненого стану визначається значенням ємності конденсатора, підключеного між виведенням 3 і землею.
Рисунок 14.
5.3 Режим повторних включень ІІП
У імпульсних джерелах живлення такий режим часто використовується обмеження вихідного струму. Якщо ІІП перевантажено, схема вимикається. Після деякого інтервалу часу він включається, якщо навантаження все ще існує, він негайно вимикається. На деяких конструкціях, якщо це трапляється кілька разів, живлення відключається, доки не буде скинуто блокування схеми.
5.4 ІІП із підтримкою харчування
Деякі "більш автономні" ІІП розроблені так, щоб зберегти стійку вихідну напругу більш ніж кілька періодів при відключенні вхідного живлення. Це може бути досягнуто установкою вхідного конденсатора великої ємності, такою, що його напруга не буде істотно падати протягом перерв подачі енергії. Період часу, протягом якого ІІП підтримує вихідну напругу, коли відсутня вхідна, часто називають "часом підтримки живлення".
6 Література
1. INTERNET:
SGS Power Supply Application manual
Motorola Power MOSFET Transistor Databook
Unitrode Semiconductor Databook
Unitrode Applications Handbook
Transformer Core Selection for SMPS, Mullard
Soft Ferrites - Properties and Applications, E.C. Snelling
Switchmode - A Designer's Guide, Motorola
SMPS Technology and Components, Siemens
Texas Instruments Linear Circuits Databook
Analogue Electronics Handbook, T.H. Collins
Smith, K.L. Ph.D. (University of Kent), "D.C. Supplies from A.C. Sources", Electronics & Wireless World, September 1984.
Іванов В.С., Панфілов Д.І. Компоненти електроніки фірми MOTOROLA. - М: ДОДЕКА, 1998
Силові напівпровідникові пристрої International Rectifier. Пров. п/р В.В.Токарьова. - Воронеж, 1995
Мікросхеми для імпульсних джерелхарчування та їх застосування. Вид. 2-ге. - М: ДОДЕКА, 2000
Полікарпов А.Г., Сергієнко Є.Ф. Однотактні перетворювачі напруги у пристроях електроживлення РЕА. - М: Радіо і зв'язок, 1989
Полікарпов А.Г., Сергієнко Є.Ф. Імпульсні регулятори та перетворювачі постійної напруги. - М: Вид-во МЕІ, 1998
Для перетворення напруги одного рівня на напругу іншого рівня часто застосовують імпульсні перетворювачі напругиз використанням індуктивних накопичувачів енергії. Такі перетворювачі відрізняються високим ККД, іноді досягає 95%, і володіють можливістю отримання підвищеної, зниженої або інвертованої вихідної напруги.
Відповідно до цього відомо три типи схем перетворювачів: знижуючі (рис. 4.1), що підвищують (рис. 4.2) та інвертують (рис. 4.3).
Спільними для всіх цих видів перетворювачів є п'ять елементів: джерело живлення, ключовий елемент, що комутує, індуктивний накопичувач енергії (котушка індуктивності, дросель), блокувальний діод і конденсатор фільтра, включений паралельно опору навантаження.
Включення цих п'яти елементів у різних поєднаннях дозволяє реалізувати будь-який із трьох типів імпульсних перетворювачів.
Регулювання рівня вихідної напруги перетворювача здійснюється зміною ширини імпульсів, що управляють роботою ключового комутуючого елемента і, відповідно, що запасається в індуктивному накопичувачі енергії.
Стабілізація вихідної напруги реалізується шляхом використання зворотнього зв'язку: при зміні вихідної напруги відбувається автоматична зміна ширини імпульсів.
Понижуючий перетворювач (рис. 4.1) містить послідовно включений ланцюжок з комутованого елемента S1, індуктивного накопичувача енергії L1, опору навантаження Rн і паралельного включеного йому конденсатора фільтра С1 . Блокувальний діод VD1 підключений між точкою з'єднання ключа S1 з накопичувачем енергії L1 та загальним дротом.
Рис. 4.1. Принцип дії знижувального перетворювача напруги
Рис. 4.2. Принцип дії підвищуючого перетворювача напруги
При відкритому ключі діод закритий, енергія джерела живлення накопичується в індуктивному накопичувачі енергії. Після того, як ключ S1 буде закритий (розімкнутий), запасена індуктивним накопичувачем L1 енергія через діод VD1 передається в опір навантаження R н. Конденсатор С1 згладжує пульсацію напруги.
Підвищуючий імпульсний перетворювач напруги (рис. 4.2) виконаний на тих же основних елементах, але має інше їх поєднання: до джерела живлення підключений послідовний ланцюжок з індуктивного накопичувача енергії L1, діода VD1 та опору навантаження з паралельно підключеним конденсатором фільтра С1. Комутуючий елемент S1 включений між точкою з'єднання накопичувача енергії L1 з діодом VD1 та загальною шиною.
При відкритому ключі струм джерела живлення протікає через котушку індуктивності, в якій запасається енергія. Діод VD1 при цьому закритий, ланцюг навантаження відключено від джерела живлення, ключа та накопичувача енергії. Напруга на опорі навантаження підтримується завдяки запасеної на конденсаторі фільтра енергії. При розмиканні ключа ЕРС самоіндукції підсумовується напругою живлення, запасена енергія передається в навантаження через відкритий діод VD1. Отримана у такий спосіб вихідна напруга перевищує напругу живлення.
Рис. 4.3. Імпульсне перетворення напруги з інвертуванням
Інвертуючий перетворювач імпульсного типу містить все те ж поєднання основних елементів, але знову в іншому їх з'єднанні (рис. 4.3): до джерела живлення підключений послідовний ланцюжок з комутованого елемента S1, діода VD1 і опору навантаження R н з конденсатором фільтра С1. Індуктивний накопичувач енергії L1 включений між точкою з'єднання елемента комутації S1 з діодом VD1 і загальною шиною.
Працює перетворювач так: під час замикання ключа енергія запасається в індуктивному накопичувачі. Діод VD1 закритий і не пропускає струм від джерела живлення у навантаження. При відключенні ключа ЕРС самоіндукції накопичувача енергії виявляється прикладеною до випрямляча, що містить діод VD1, опір навантаження R н та конденсатор фільтра С1. Оскільки діод випрямляча пропускає у навантаження тільки імпульси негативної напруги, на виході пристрою формується напруга негативного знака (інверсне, протилежне за знаком напруги живлення).
Для стабілізації вихідної напруги імпульсних стабілізаторів будь-якого типу можуть бути використані звичайні лінійні стабілізатори, але вони мають низький ККД. У зв'язку з цим набагато логічніше для стабілізації вихідної напруги імпульсних перетворювачів використовувати імпульсні стабілізатори напруги, тим більше, що здійснити таку стабілізацію зовсім нескладно.
Імпульсні стабілізатори напруги, у свою чергу, поділяються на стабілізатори з широтно-імпульсною модуляцієюі на стабілізатори з частотно-імпульсною модуляцією. У перших їх змінюється тривалість управляючих імпульсів при постійної частоті їх проходження. По-друге, навпаки, змінюється частота управляючих імпульсів за її постійної тривалості. Зустрічаються імпульсною стабілізатори і зі змішаним регулюванням.
Нижче буде розглянуто радіоаматорські приклади еволюційного розвитку імпульсних перетворювачів та стабілізаторів напруги.
Задає генератор (рис. 4.4) імпульсних перетворювачів з нестабілізованою вихідною напругою (рис. 4.5, 4.6) на мікросхемі КР1006ВІ1 (NE555) працює на частоті 65 кГц. Вихідні прямокутні імпульси генератора через RC-ланцюжки подаються на ключові транзисторні елементи, включені паралельно.
Котушка індуктивності L1 виконана на феритовому кільці із зовнішнім діаметром 10 мм та магнітною проникністю 2000. Її індуктивність дорівнює 0,6 мГн. Коефіцієнт корисної дії перетворювача сягає 82%. Амплітуда пульсацій на виході не перевищує 42 мВ та залежить від величини ємності
Рис. 4.4. Схема генератора, що задає, для імпульсних перетворювачів напруги
Рис. 4.5. Схема силової частини підвищує імпульсного перетворювача напруги +5/12 В
Рис. 4.6. Схема инвертирующего імпульсного перетворювача напруги +5/-12 В
конденсаторів на виході пристрою Максимальний струм навантаження пристроїв (Рис. 4.5, 4.6) становить 140 мА.
У випрямлячі перетворювача (рис. 4.5, 4.6) використано паралельне з'єднання високочастотних слаботочних діодів, включених послідовно з вирівнювальними резисторами R1 - R3. Вся ця збірка може бути замінена одним сучасним діодом, розрахованим на струм більше 200 мА при частоті до 100 кГц і зворотній напрузі не менше 30 (наприклад, КД204, КД226). Як VT1 і VT2 можливе використання транзисторів типу КТ81х: структури n-р-n- КТ815, КТ817 (рис. 4.5) та р-n-р - КТ814, КТ816 (рис. 4.6) та інші. Для підвищення надійності роботи перетворювача рекомендується включити паралельно переходу емітер - колектор транзистори діод типу КД204, КД226 таким чином, щоб для постійного струму він був закритий.
Є дві категорії будь-яких імпульсних перетворювачів напруги:З трансформатором
З накопичувальним дроселем
Перетворювач будь-якої з цих двох категорій може бути як знижуючим, так і підвищуючим, у пристроях з накопичувальним дроселем це залежить від схеми включення, пристроях з трансформатором від коефіцієнта трансформації.
Імпульсні перетворювачі напруги з накопичувальним дроселем
На виході таких схем завжди буде або постійна або пульсуюча напруга.Змінна напруга на їхньому виході не отримати.
Сигнал який необхідно подавати в точку А1 по відношенню до загального дроту: 
Як працюють імпульсні перетворювачі з накопичувальним дроселем?
Розглянемо з прикладу підвищує перетворювача.Накопичувальний дросель L1 підключений так, що при відкритті транзистора T1 через них починає протікати струм від джерела "ПІТ", при цьому струм зростає в дроселі не миттєво, так як енергія запасається в магнітному полі дроселя.
Після того як транзистор T1 закривається, запасеної в дроселі енергії необхідно звільнитися, це випливає з фізики явищ, що відбуваються в дроселі, відповідно, єдиний шлях цієї енергії пролягає через джерело +ПІТ, діод VD1 і навантаження підключене до ВИХОДУ.
При цьому максимальна напруга на виході залежить тільки від одного опору навантаження.
Якщо у нас ідеальний дросель і якщо навантаження відсутнє, то напруга на виході буде нескінченно великою, проте ми маємо справу з далеким від ідеалу дроселем, тому без навантаження напруга просто буде дуже великою, можливо настільки великою, що трапиться пробій повітря або діелектрика між клемою ВИХІД і загальним дротом, але скоріше пробою транзистора.
Якщо дросель хоче вивільняти всю енергію, яку накопичив (за винятком втрат), то як же регулювати напругу на виході таких перетворювачів?
Дуже просто - запасати в дроселі рівно стільки енергії, скільки необхідно, щоб створити потрібну напругу на відомому опорі навантаження.
Регулювання запасеної енергії проводиться тривалістю імпульсів, що відкривають транзистор (часом протягом якого відкритий транзистор).
У знижувальному перетворювачі в дроселі відбуваються точно ті ж процеси, проте в цьому випадку при відкритті транзистора дросель не дає напрузі на виході збільшитися миттєво, а після його закривання, вивільняючи запасну енергію з одного боку через діод VD1 а з іншого через навантаження підключену до ВИХ напруга на клемі ВИХІД.
Напруга на виході такого перетворювача не може виявитися більшою за напругу +ПІТ.
Імпульсні перетворювачі напруги з трансформаторами
Саме перетворення відбувається в трансформаторі, при цьому не важливо на залозі він - для низьких частот; або на ферит - для високих від 1кГц до 500 і вище кГц.Суть процесів завжди однакова: якщо в першій обмотці трансформатора 10 витків, а в другій 20 і ми докладемо змінну напругу 10 вольт до першої, то в другій ми отримаємо змінну напругу тієї ж частоти але 20 вольт і відповідно з 2 рази меншим струмом, ніж тече в першій обмотці.
Тобто завдання зводиться до отримання змінної напруги, яке необхідно прикласти до первинної обмотки, від джерела постійного струму, що живить перетворювач.
Працює так:
коли транзистор T1 відкритий, струм тече через верхню половину обмотки - L1.1, потім транзистор T1 закривається і відкривається транзистор T2, струм починає протікати через нижню половину обмотки - L1.2, тому що верхня половина обмотки L1 включена своїм кінцем до +ПІТ а нижня початком, магнітне поле в сердечнику трансформатора при відкритті T1 тече в одну сторону, а при відкритті T2 в іншу, відповідно на вторинній обмотці L2 створюється змінна напруга.
L1.1 і L1.1 виконуються якомога ідентичнішими один одному.
Переваги:
Висока ефективність при роботі від низької напругиживлення (через кожну половину обмотки та транзистор протікає лише половина необхідного струму).
Недоліки:
Викиди напруги на стоках транзисторів рівні подвоєному напрузі живлення (наприклад коли T1 відкритий, а T2 закритий, то струм тече в L1.1 у свою чергу в L1.2 на закритий T2).
Тобто необхідно вибирати транзистори на більшу допустиму максимальну напругу.
Застосування:
Перетворювачі, що живляться від низької напруги (близько 12 вольт).
Працює так:
коли транзистор T1 відкритий, струм тече через первинну обмотку трансформатора (L1) заряджаючи конденсатор C2, потім він закривається і відкривається T2, відповідно тепер струм тече через L1 у зворотному напрямку, розряджаючи C2 і заряджаючи C1.
Недоліки:
Напруга підводиться до первинної обмотки трансформатора вдвічі нижче напруги +ПІТ.
Переваги:
Застосування:
Перетворювачі, що живляться від побутової освітлювальної мережі, блоки живлення (наприклад: блоки живлення комп'ютерів).
Працює так:
коли транзистори T1 і T4 відкриті, струм тече через первинну обмотку трансформатора в одному напрямку, потім вони закриваються і відкриваються T2 і T3 струм через первинну обмотку починає текти у зворотному напрямку.
Недоліки:
Необхідність установки чотирьох потужних транзисторів.
Подвоєне падіння напруги на транзисторах (падіння напруги на суміжних T1 T4/ T2 T3 транзисторах складаються).
Переваги:
Повна напруга живлення на первинній обмотці.
Відсутність викидів подвоєної напруги властивих пуш-пулу.
Застосування:
Потужні перетворювачі, що живляться від побутової освітлювальної мережі, блоки живлення (наприклад: імпульсні зварювальні "трансформатори").
Загальними проблемами для перетворювачів на трансформаторах є ті ж проблеми, що і перетворювачів на базі накопичувальних дроселів: насичення сердечника; опір дроту з якого виконані обмотки; робота транзисторів у лінійному режимі.
Зворотноходові та прямоходові імпульсні перетворювачі
Зворотноходовий і прямоходовий імпульсний перетворювач напруги - це "гібриди" перетворювача на базі накопичувального дроселя і трансформатора, хоча по суті це перетворювач на базі накопичувального дроселя і про це ніколи не варто забувати.
Принцип роботи такого перетворювача схожий з підвищуючим перетворювачем на накопичувальному дроселі, з тією різницею, що навантаження включено не безпосередньо до дроселя, а ще однієї обмотки, намотаної на сам дросель.
Як і підвищує перетворювачі, у разі включення його без навантаження, його вихідна напруга буде прагнути максимуму.
Недоліки:
Викиди напруги на ключовому транзисторі створюють необхідність застосування ключових транзисторів на напругу, що значно перевищує ПІТ.
Висока напруга на виході без навантаження.
Переваги:
Гальванічна розв'язка ланцюга живлення та ланцюга навантаження.
Відсутність втрат пов'язаних з перемагнічуванням осердя (магнітне поле тече в осерді завжди в один бік).
Явлення, про які слід пам'ятати при конструюванні перетворювачів напруги (і імпульсних пристроїввзагалі)
Насичення сердечника (магнітопроводу)- момент коли магнитопроводящий матеріал сердечника дроселя чи трансформатора вже настільки намагнічен, що вже не впливає на процеси що у дроселі чи трансформаторі. При насиченні сердечника індуктивність обмоток розташованих на ньому стрімко падає, а струм через первинні обмотки починає збільшуватися, при цьому максимальний струм обмежений лише опором дроту обмотки, а воно вибирається якнайменшим, відповідно насичення як мінімум призводить до нагрівання і обмоток дроселя і силового транзистора, як максимум до руйнування силового транзистора.Опір проводів обмоток- вносить у процес втрати, тому що перешкоджає запасанню та вивільненню енергії в магнітному полі, викликає нагрівання дроту обмотки дроселя.
Рішення: використання дроту з мінімальним опором (товстіший провід, провід з матеріалів, що володіють малим питомим опором).
Робота силових транзисторіву лінійному режимі- якщо генератор сигналів використовуваний керувати транзисторами видає не прямокутні імпульси, а імпульси з повільним наростанням і спадом напруги, що можливо якщо ємність затвора силових транзисторів велика, а драйвер (спеціальний підсилювач) не здатний видавати значний струм для зарядки цієї ємності, З'являються моменти, коли транзистор перебуває в лінійному режимі, тобто має певний опір відмінний від нуля і нескінченно великого, у зв'язку з чим через нього тече струм і на ньому виділяється тепло, що погіршує ККД перетворювача.
Специфічні проблеми перетворювачів напруги з використанням трансформаторів
Втім, ці проблеми притаманні будь-яким пристроям із потужним двотактним вихідним каскадом.Наскрізний струм
Розглянемо на прикладі схеми напівмосту - якщо з якоїсь причини транзистор T2 відкриється раніше, ніж повністю встиг закритися T1, то виникне наскрізний струм від +ПІТ на загальний дріт, які протікатиме через обидва транзистори приводячи до марного виділення тепла на них.
Рішення: створення затримки тим часом, як знизився до нуля потенціал на вході Г1 (див. схему півмоста) і зріс потенціал на вході Г2.
Такий час затримки називають дедтайм (dead time) і графічно можна проілюструвати осцилограмою: 
Ефект Міллера
Знову ж таки, розглянемо на прикладі півмосту - коли транзистор T1 відкривається то до транзистора T2 прикладається напруга, яка швидко зростає (зі швидкістю відкривання T1), так як ця напруга велика, то навіть незначна внутрішня ємність між затвором і витоком заряджається створює значний потенціал на затворі , який відкриває T2, нехай і на короткий час, але створюючи наскрізний струм навіть за наявності дедтайму.
Рішення: застосування потужних драйверів транзисторів, здатних як віддавати, а й приймати великі струми.
Про що не слід забувати
Знижуючий перетворювач з накопичувальним дроселем, напівміст і міст - схеми, які не такі прості, як здаються на перший погляд, перш за все тому, що джерело транзистора в понижувальному перетворювачі та витоки верхніх за схемою транзисторів у мосту та напівмісті знаходяться під напругою живлення.Як ми знаємо, керуюча напругана затвор транзистора треба подавати щодо його витоку, для біполярних на базу щодо емітера.
Рішення:
Використання гальванічно розв'язаних джерел живлення ланцюгів затворів (баз):
Генератор G1 виробляє протифазні сигнали та формує дедтайм, U1 та U2 драйвери. польових транзисторівОптрон гальванічно розв'язує вхідний ланцюг верхнього драйвера з виходом генератора, який живиться від іншої обмотки трансформатора.
Застосування імпульсного трансформатора для гальванічної розв'язки ланцюгів затворів (баз): 
Гальванічна розв'язка забезпечується рахунок введення ще одного імпульсного трансформатора: GDT.
Є ще один метод - "бустреп", але і він вам навряд чи сподобається, для отримання подробиць дивіться документацію до мікросхеми IR2153, зокрема метод отримання напруги живлення для управління верхнім за схемами ключовим транзистором.
Проектуючи перетворювач, необхідно враховувати, що це імпульсне пристрій по провідникам якого течуть значні струми, які різко змінюються і цей пристрій у якому створюються сильні магнітні поля - все це створює сприятливий ґрунт для виникнення цілої серії перешкод у широкому спектрі.
При розведенні друкованих плат слід прагнути зробити все силові провідники ланцюга максимально короткими і прямими, електролітичні конденсатори шунтувати плівковими або керамічними на ємність 0,1 ... 1мкф в безпосередній близькості від силових елементів, для запобігання просоченню високочастотних перешкод в освітлювальну мережу, якщо від мережі, встановлювати по ланцюгу підведення мережевої напруги LC-фільтри нижніх частот.
Незважаючи на безліч непростих моментів, імпульсні перетворювачі напруги застосовуються широко, а працюючі на високій частоті (десятки-сотні кілогерц) мають ряд переваг, так:
Високий ККД, аж до 97%;
Мала маса;
Невеликі габарити.
Імпульсний перетворювач напруги 12 24 220 та інші…
Проблема отримання у великовантажному автомобілі напруги, необхідного для живлення радіостанцій, автоелектроніки та засобів зв'язку (12-14 Вольт) може бути вирішена декількома способами.
Найпростіший із них взяти необхідну напругу з одного акумулятора. Але наслідки таких "експериментів" сумні: через якийсь час акумулятор доведеться викинути. Інший, "цивілізований" спосіб це встановити в автомобілі пристрій, який дозволить отримати необхідну напругу без шкоди для штатної системи електрообладнання машини. В даний час випускається два типи подібних пристроїв, що принципово відрізняються один від одного.
Перша група– це лінійні стабілізатори напруги (адаптери). Суть даного виду стабілізації полягає в тому, що "зайва" напруга "залишається" на регулюючому елементі. При цьому струм який тече від акумулятора (Iак. рис.1) дорівнює струму поточному в корисне навантаження (Iн. рис.1), а оскільки вхідна напруга вдвічі перевищує вихідне значить потужність споживана від акумулятора в 2 рази перевищує потужність, яку споживає корисна навантаження, тобто. ККД такого стабілізатора (адаптора) 50% (а реально ще менше). Спробуймо для наочності підставити живі цифри. Візьмемо струм корисного навантаження Iн. = 20 Ампер.
Рак. = Iакк. х Uакк. = 20 А х 28 В = 560 Ватт
Рн. = Iн. х Uн. = 20 А х 14 В = 280 Ватт
Різниця цих потужностей (280 Ватт) виділяється у вигляді тепла, нагріваючи радіатор стабілізатора. Щоб розсіювати таку потужність протягом тривалого часу потрібен радіатор великих розмірів. Реально дані стабілізатори (адаптери) виконані на радіаторах набагато менших розмірів, а це означає, що якщо виробник заявляє, що максимальний струм стабілізатора дорівнює 20-ти Амперам, то тривалий режим роботи стабілізатора буде можливий при струмі 6-7 Ампер, не більше. Ці перетворювачі оптимальні живлення радіостанцій і аудіо апаратури т.к. максимальний струм ці прилади споживають короткочасно.
Друга група – це імпульсні пристрої. Принципова відмінність імпульсної схемотехніки полягає в тому, що вона дозволяє отримати джерела живлення з високим ККД до 90%. У таких перетворювачах "зайва" напруга не розсіюється у вигляді тепла, а перетворюється на "додатковий" струм на виході. У свою чергу, імпульсні пристрої можна розділити на дві підгрупи:
- імпульсні стабілізатори напруги/ККД до 90%
- імпульсні перетворювачі напруги (блоки живлення) / ККД до 80%
Відмінною особливістю імпульсних перетворювачів є гальванічна розв'язка вхідної та вихідної напруги (тобто в їх складі є трансформатор), який виключає навіть теоретичну можливість попадання вхідної напруги на вихід при будь-яких несправностях самого перетворювача.
Сучасна елементна база та схемотехніка дозволила створити імпульсні перетворювачі та стабілізатори напруги які забезпечують:
- Довготривалий режим роботи при максимальному струмі навантаження.
- Автоматичне регулювання вихідної потужності (можна не боятися перевантажень до короткого замикання). Система обмеження потужності сама відстежить навантаження та обмежить вихідну потужність до безпечного рівня.
- За рахунок високого ККД забезпечується нормальний тепловий режим і, як наслідок, висока надійність і малі габарити.
- Потужність споживана від акумулятора лише на 10-15% більше, ніж споживає навантаження.
- Наявність гальванічної розв'язки вхідної та вихідної напруги в перетворювачі (тобто в його складі є трансформатор) виключає навіть теоретичну можливість попадання вхідної напруги на вихід. У стабілізаторі встановлюється потужний високоефективний обмежувач напруги.
- Мабуть, єдиним недоліком імпульсних пристроїв це можливі радіоперешкоди, їхній рівень залежить від виробника (вартості) перетворювача. Недорогі перетворювачі не рекомендується застосовувати для живлення радіостанцій та радіоприймачів.
Імпульсний перетворювач напруги
Для трансформації напруги з рівня в інший застосовуються імпульсні перетворювачі постійної напруги, у яких використовуються індуктивні накопичувачі. У таких конверторах потужність на виході регулюються завдяки змінам тимчасового проміжку навантаження одним з двох способів:
Частотно-імпульсним;
Широтно-імпульсним.
Принцип дії імпульсного перетворювача напруги, що підвищує, полягає у створенні такого режиму транзистора, під час якого весь ланцюг подачі потужності в навантаження буде періодично перериватися. Таким чином, імпульсний перетворювач 24 дозволяє впорядкувати коливання тривалості вихідних імпульсів при їх незмінному періоді зміни. Однотактний імпульсний перетворювач напруги може працювати у діапазоні потужностей від 0 до 100 Вт. Якщо ж потрібен пристрій більшої потужності, застосовують багатотактний імпульсний перетворювач напруги.
