Схема повышения напряжения: Как повысить напряжение постоянного и переменного тока?

Схема повышающего преобразователя постоянного напряжения

Электронная схема да и вообще все, что связано с электроникой интересно изучать, особенно если вы можете самостоятельно построить свои собственные схемы. Чтобы помочь вам в этом, мы в этой публикации, для начала, предоставим вам список популярных электронных схем и электронных проектов с хорошо проиллюстрированной принципиальной схемой и подробным объяснением для применения в самостоятельной работе.

Весь рабочий процесс тестирования и проверки электронных схем записывается на видео для более эффективного обучения. Независимо от того, являетесь ли вы экспертом или новичком в электронике, у нас есть кое-что интересное для всех вас. У нас есть огромная коллекция из 200+ бесплатных электронных схем, которые вы можете построить сегодня собственноручно.

Содержание

1. Схема простого повышающего преобразователя DC-DC с использованием микросхемы таймера 555
2. Работа повышающего преобразователя DC-DC
3. Этап 1: Включен: режим зарядки
4. Этап 2: выключатель выключен: режим разряда
5. Рабочий цикл:
6. Расчетное значение индуктора:
7. Расчет зарядного конденсатора:
8. Расчет выходного конденсатора:
9. Выбор компонентов
10. Что следует помнить при выборе компонента:
11. Как работает схема повышающего преобразователя
12. Тестирование схемы повышающего преобразователя Dc Dc на основе таймера 555

В этом проекте мы будем создавать схему повышающего преобразователя с использованием микросхемы таймера 555. Повышающий преобразователь — это не изолированный импульсный источник питания, который используется для повышения напряжения. Другими словами, это дает более высокое выходное напряжение по сравнению с входным.

Схема очень похожа на понижающий конвертерhttps://circuitdigest.com/electronic-circuits/simple-555-timer-based-buck-regulator-circuit-for-led-dimmers-and-dc-motor-speed-control, который мы разработали для управления двигателем и светодиодной лентой, которая предназначается для понижения входящего напряжения. Повышающие преобразователи находят применение во многих типах нашего бытового оборудования. Это очень распространенные схемы силовой электроники, которые широко используются с солнечными панелями и другими технологиями, и являются одной из самых важных схем в настоящее время.

В этой статье мы узнаем о понижающих преобразователях и спроектируем очень простой повышающий инвертор с использованием таймера 555 и IRFZ44N, N-канального МОП-транзистора.

Работа повышающего преобразователя DC-DC

Повышающий преобразователь используется для увеличения выходного напряжения благодаря уменьшению тока, это достигается за счет сохранения энергии в катушке индуктивности, и, поскольку энергия в дросселе не может изменяться мгновенно, она начинает накапливать энергию в своем магнитном поле.

Ток протекающий через катушку индуктивности (дроссель) определяется выражением I, и, поскольку сопротивление и ток постоянны, единственное значение, которое может измениться, — это напряжение. Как показано на рисунке ниже, дроссель соединен последовательно с источником напряжения для постоянного включения и выключения цепи.

Переключатель подключен параллельно источнику напряжения и катушке индуктивности для достижения быстрого переключения. Мы здесь используем полевой МОП-транзистор вместе с драйвером полевого МОП-транзистора. Схема подключена к нагрузке и параллельно ей конденсатор. Чтобы ограничить обратный ток от конденсатора, между емкостью и полевым МОП-транзистором используется диод.

Катушка индуктивности пытается противостоять изменению тока, чтобы обеспечить постоянный входной ток, и, следовательно, повышающий инвертор действует как источник входного постоянного тока, в то время как нагрузка действует как источник постоянного напряжения. Эта схема очень похожа на понижающий преобразователь и иногда называется обратным понижающим инвертором.

N-канальный полевой МОП-транзистор управляется ШИМ-сигналом, здесь мы использовали таймер IC 555 для обеспечения вывода на полевой МОП-транзистор. Конденсатор используется для хранения заряда и обеспечения постоянной выходной мощности нагрузки. Схема работает в 2 этапа, на 1 ступени переключатель включен, а на 2 ступени переключатель находится в выключенном состоянии.

Этап 1: Включен: режим зарядки

В этом состоянии переключатель MOSFET включен. Используемый нами полевой МОП-транзистор представляет собой N-канальный полевой МОП-транзистор IRFZ44N, вывод затвора подключен к выводу 3 таймера IC555. Когда переключатель находится в состоянии ВКЛ, он замыкает цепь через катушку индуктивности, и на нее подается напряжение, в результате чего вокруг него создается магнитное поле. Поскольку он предлагает путь с очень низким сопротивлением, все напряжение проходит через переключатель и возвращается к источнику питания, как отмечено красной линией на рисунке ниже.

Конденсатор, который был ранее заряжен на последнем этапе, пытается разрядиться через полевой МОП-транзистор, и чтобы остановить его, мы используем диод, для того чтоб прекратить заряд конденсатора, протекающий в обратном направлении.

Этап 2: выключатель выключен: режим разряда

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, путь зарядки индуктора не завершается, следовательно, полярность индуктора меняется на обратную, и магнитное поле вокруг него схлопывается, в результате генерируется скачок напряжения, который проходит через диод и заряжает конденсатор. Суммарная энергия от катушки индуктивности и источника используется для зарядки конденсатора, а также проходит через нагрузку.

Рабочий цикл:

Общее время цикла переключения называется периодом времени (T), время включения и время выключения переключателя задается как T_on и T_off соответственно. Следовательно:

T = T_on + T_off

Частота (f) определяется как

f = 1 / (T_on + T_off)

Рабочий цикл (D) определяется как общее время, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии, по отношению к общему периоду времени. Продолжительность включения определяется по формуле:

D = T_on/ T

Используя закон напряжения Кирхгофа, мы можем получить установившееся состояние повышающего преобразователя. Здесь мы будем считать, что схема является идеальной, и в течение всего процесса не теряется мощность, а именно:

V_in = V_out

Теоретически за один полный цикл чистое изменение тока катушки индуктивности равно нулю, а отношение входного напряжения V_in к выходному напряжению (V_out) определяется как:

V_in / V_out = 1 / (1-D)

Теоретически 0

Расчетное значение индуктора:

Мы знаем, что средний входной ток (I_avg) равен среднему току индуктора (I_Lavg). Следовательно, средний ток катушки индуктивности можно рассчитать следующим образом:

Пульсации индуктора обычно составляют 20-40% от среднего выходного тока.

Расчет зарядного конденсатора:

Расчет времени заряда конденсатора T_c = R*C

Здесь R — сопротивление цепи зарядки, а C — емкость конденсатора. В нашей схеме, представленной ниже, цепь зарядки следует по пути, отмеченному красным, то есть R3> D2> C2.

Чтобы рассчитать номиналы входного резистора и конденсатора, вы также можете использовать этот онлайн-калькулятор.

Расчет выходного конденсатора:

Выбор компонентов

Я разработал схему на Eschema, KiCad и выполнил расчет необходимых компонентов, используя приведенные выше формулы. Затем сделал схему на макетной плате. Принципиальная схема, разработанная в KiCad, приведена ниже.

Необходимые компоненты:

• 1 х NE555
• 1 x IRFZ44N — N-канальный полевой МОП-транзистор
• 1 x 100 мкГн, индуктор
• 1 х 1 кОм, резистор
• 2 диода IN4001
• 1 х IN5822 диод
• 1 x 100 нФ, конденсатор
• 1 х 1 нФ конденсатор
• 1 потенциометр 50 кОм
• 2 x 2-контактный разъем (для подключения входа и выхода схемы)

Что следует помнить при выборе компонента:

MOSFET: вам нужно выбрать MOSFET, который сможет выдерживать максимальное выходное напряжение, поэтому его напряжение пробоя должно быть выше, чем максимальная мощность преобразователя

Диод: Для операций с низким напряжением я использовал IN5822, потому что низкая скорость IN4007 делает его непригодным для наших операций. Нам нужно выбрать быстрый диод, я попытался использовать диод IN4007 в качестве выходного диода, но из-за проблем с производительностью я переключился на более быстрый IN5822.

Как работает схема повышающего преобразователя

В схеме используется микросхема IC 555 в нестабильном режиме в качестве генератора ШИМ, и, следовательно, вся схема построена примерно так же. Подключения всех 8 контактов указаны ниже:

• Контакт 1 подключен к шине заземления.
• Контакты 2 и 6 с заземлением через конденсатор емкостью 1 нФ.
• Контакт 3 выдает выходной сигнал и, таким образом, подключен к затвору N-канального МОП-транзистора IRFZ44N. Этот вывод отвечает за управление выходом ШИМ на затвор полевого МОП-транзистора.
• Контакт 4 необходимо подключить к источнику питания
• Контакт 5 помогает стабилизировать выход, поэтому он подключен к земле через конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Это также помогает обеспечить невосприимчивость к электрическим помехам.
• Вывод 7 подключен к инвертированной диодной установке; переход подключен к положительной шине через резистор 1 кОм.
• Контакт 8 необходимо подключить к источнику питания.

Основным компонентом любого SMPS является переключатель, здесь в этой схеме мы используем N-канальный MOSFET IRFZ44N в качестве переключателя. Он управляется слабым сигналом от IC 555, поэтому логический элемент IRFZ44N подключен к IC 555. Сток обеспечивает отрицательное переключение цепи, а источник заземлен. Он имеет следующую спецификацию:

VDSS = 55 В

RDS (вкл.) = 17,5 мОм

ID = 49A

Тестирование схемы повышающего преобразователя Dc Dc на основе таймера 555

Я тестировал схему с литий-ионным аккумулятором 3,7 В, аккумулятор был заряжен примерно до 3,4 В. Я подключил элемент к повышающему преобразователю, и напряжение на нем показало 7,5 В. Изображение выхода на выходе повышающего преобразователя показано ниже.

Чтобы проверить ток, я заменил провод мультиметра на токовый щуп (не забудьте выбрать диапазон 10 А или 20 А на вашем мультиметре, чтобы защитить его от повреждения). Ток показывал 3,2 А, таким образом, эта схема способна производить около 30 Вт. Схема работала правильно и смогла повысить напряжение.

Отсутствие обратной связи приводит к падению напряжения в цепи при подключении нагрузки. Обратная связь, используемая повышающими преобразователями, гарантирует, что рабочий цикл остается стабильным даже при подключенной нагрузке. Мы можем легко обеспечить обратную связь, используя микроконтроллер для измерения измененного выходного сигнала, а затем изменять входное сопротивление, что делает эту схему более полезной и практичной для большинства операций.

Это очень простая, но эффективная схема, которую можно использовать, если вам будет нужно более высокое напряжение, чем может обеспечить ваш источник напряжения, при одновременном снижении потерь мощности в вашей цепи. Эта схема была способна выдавать мощность более 30 Вт. Хотя для создания схемы рекомендуется использовать хотя бы перфокарту, так как обычные макетные платы предназначены для маломощных приложений.

Если вам нужен постоянный выход, вы должны использовать постоянный резистор вместо потенциометра, чтобы повысить общую эффективность конструкции. Основным недостатком этой схемы является то, что из-за отсутствия обратной связи падение напряжения при подключении нагрузки довольно велико.

И последнее: создавать схему, которая может быть спроектирована из простых компонентов, лежащих на нашем рабочем столе, — это весело.

Повышающий преобразователь напряжения на на таймере 555

Схема удвоителя напряжения из диодов и конденсаторов, как можно увеличить переменное напряжение вдвое. « ЭлектроХобби

Данная простая схема удвоителя, а если еще точнее говоря, то почти утроителя напряжения будет весьма полезна именно в тех случаях, когда у вас имеется трансформатор с пониженным напряжением, а на выходе нужно получить раза в два, два с половиной больше. Например, когда разбираешь какую нибудь старую электротехнику, то можно из нее вытащить силовой трансформатор. Когда же начинаешь на нем измерять выходное напряжение, то оказывается, что оно где-то 6, 7, 8 вольт. Хотя зачастую применяется 12, реже 15, и 24 вольта. Вот и поставив на выходную обмотку эту схему удвоителя напряжения мы из более низкого переменного напряжения можем получить более высокое, которое нам необходимо.

Но, не все так просто в этой схеме. Закона сохранения энергии никто не отменял. То есть, наш трансформатор имеет максимальную выходную мощность, которая равна напряжение выходной обмотки в вольтах умноженное на силу максимального тока в амперах, который может обеспечить эта вторичная обмотка. Когда же мы к этой выходной обмотке подключим наш диодо-конденсаторный удвоитель напряжения, то на его выходе будет увеличенное напряжение, но это произойдет за счет уменьшения силы тока на выходе. Следовательно повышение напряжения происходит за счет увеличенного потребления тока с выхода трансформатора.

Теперь разберемся в конкретных потерях этого тока. Потеря будет приблизительно равна больше чем 50%. То есть, на выходе удвоителя можно реально получить где-то 35-45% от 100%, что может обеспечить выходная обмотка трансформатора. Другими словами говоря. Если наш трансформатор при своем небольшом напряжении около 6 вольт мог выдавать допустим 1 ампер, то при использовании схемы удвоителя напряжения мы получим 14 вольт с максимальным выходным током где-то в 0,4 А.Так что перед использованием подобных удвоителей напряжения учтите данный факт, касающейся этой самой потери по току. Если же ваш трансформатор на своей выходной обмотке имеет достаточно толстый провод и рассчитан на приличный ток, но при этом выдает пониженное напряжение, то применение таких удвоителей полностью оправдано.

Ну, а теперь пару слов о принципе действия данного удвоителя напряжения. Итак, как известно переменный ток периодически меняет свою полярность. Его плюс и минус постоянно меняются местами, имея синусоидальную форму. Мы имеем два конденсатора, каждый из которых заряжается своей полуволной. То есть, диоды стоят таким образом, что при одной полярности переменного тока происходит заряд одного конденсатора, а при противоположной полярности заряжается второй конденсатор. В результате за один период происходит заряд обоих емкостей. Эти конденсаторы соединены между собой последовательно. Следовательно их суммарное напряжение будет в два раза больше, чем на каждом из них по отдельности. Но если измерить выходное напряжение на удвоителе, то оно окажется чуть более чем 2 раза от того, что выходит со вторичной обмотки трансформатора. Почему так происходит?

Дело в том, что существует так называемое действительное значение напряжения и амплитудное. Амплитудное значение в 1,41 раза больше действительного. Если посмотреть на графике, то максимальная точка, пик синусоиды переменного напряжения и будет амплитудным значением. В то время как усредненное значение этих синусоидальных напряженией будет соответствовать действительному значению напряжения. Когда происходит заряд конденсатора после выпрямительного диода, моста, то величина этого напряжения будет соответствовать амплитудному напряжению. То есть, наши 6 вольт переменного напряжения, что на выходе трансформатора увеличиваем в 1,41 и уже умножим на 2. И получаем итоговое напряжение на выходе нашего удвоителя, точнее почти утроителя, напряжения.

Теперь какие именно нужно ставить диоды и конденсаторы в схему удвоителя напряжения. Обратное напряжение диодов не должно быть меньше, чем то напряжение, которое у нас имеется на входе удвоителя напруги. А лучше иметь запас как по обратному напряжению, так и по прямому току не менее 25%. Ну, и прямой ток применяемых диодов должен быть больше, чем максимальный ток, что мы будем иметь на выходе схемы под нагрузкой. От емкости конденсаторов зависит как величина падения напряжения, так и сила максимального тока. То есть, чем больше емкость будут иметь конденсаторы, тем меньше будет падение напряжения при работе схемы, так и большую силу тока мы получим, протекающего через нагрузку. Конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не меньше, чем выходное на трансформаторе (все тот же минимальный запас в 25%).

P.S. Для питание простых нагрузок, типа лампочки, светодиоды, нагреватели, простые схемы, не требующие особой стабильности данный удвоитель можно подключать напрямую. Но если вы планируете питать этим удвоителем более чувствительные к стабильному напряжению схемы, то придется применять еще стабилизаторы напряжения. К примеру можно использовать простой и недорогой стабилизатор на микросхеме LM317, или подобные ему. Да хотя бы поставить самый обычный стабилизатор напряжения на транзисторах и опорном стабилитроне, чего уже хватит для питания многих схем.

НИЖЕ ВИДЕО ПО ЭТОЙ ТЕМЕ

Как можно удвоить напряжение на выходе трансформатора только за счет диодов и конденсаторов, схема, описание ее работы, + пример

Ссылка для просмотра этого видео на моем канале в Дзене

 

Ссылка на эту статью в Дзене — https://dzen. ru/a/YyrrnY1VFVWc59N5

---

 

Повышающие преобразователи

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Понимание принципов работы повышающих преобразователей.
• • Переключающий транзистор
• • Цепь маховика
• Распознайте ограничения по выходному напряжению.
• Распознавание различных источников ввода.
• Понять взаимосвязь между шириной импульса переключения и выходным напряжением.

 

Повышающий преобразователь

Импульсные источники питания могут использоваться для многих целей, включая преобразователи постоянного тока в постоянный. Часто, хотя источник постоянного тока, такой как батарея, может быть доступен, его доступное напряжение не подходит для питаемой системы. Например, двигатели, используемые для вождения электромобилей, требуют гораздо более высокого напряжения, около 500 В, чем то, которое может быть обеспечено одной батареей. Даже если бы использовались блоки батарей, дополнительный вес и занимаемое пространство были бы слишком велики, чтобы быть практичными. Решение этой проблемы заключается в использовании меньшего количества батарей и повышении доступного напряжения постоянного тока до требуемого уровня с помощью повышающего преобразователя. Другая проблема с батареями, большими или маленькими, заключается в том, что их выходное напряжение меняется по мере того, как израсходован доступный заряд, и в какой-то момент напряжение батареи становится слишком низким для питания питаемой цепи. Однако, если этот низкий выходной уровень можно снова поднять до полезного уровня с помощью повышающего преобразователя, срок службы батареи можно продлить.

Постоянный ток на вход повышающего преобразователя может поступать из многих источников, а также от батарей, например, выпрямленный переменный ток от сети или постоянный ток от солнечных батарей, топливных элементов, динамо-машин и генераторов постоянного тока. Повышающий преобразователь отличается от понижающего преобразователя тем, что его выходное напряжение равно входному напряжению или превышает его. Однако важно помнить, что, поскольку мощность (P) = напряжение (В) x ток (I), при увеличении выходного напряжения доступный выходной ток должен уменьшаться.

Рис. 3.2.1 Базовая схема повышающего преобразователя

На рис. 3.2.1 показана базовая схема повышающего преобразователя. Однако в этом примере переключающим транзистором является силовой МОП-транзистор, и биполярные силовые транзисторы, и МОП-транзисторы используются для переключения мощности, причем выбор определяется током, напряжением, скоростью переключения и соображениями стоимости. Остальные компоненты такие же, как и в понижающем преобразователе, показанном на рис. 3.1.2, за исключением того, что их расположение изменено.

Работа повышающего преобразователя

Рис. 3.2.2 Работа повышающего преобразователя при включении

На рис. 3.2.2 показано действие схемы во время начального высокого периода высокочастотной прямоугольной волны, подаваемой на затвор MOSFET при запуске. В это время полевой МОП-транзистор проводит, создавая короткое замыкание с правой стороны L1 на отрицательную входную клемму питания. Поэтому между положительной и отрицательной клеммами питания через L1 протекает ток, который накапливает энергию в своем магнитном поле. В остальной части цепи ток практически отсутствует, так как комбинация D1, C1 и нагрузки представляет собой гораздо более высокий импеданс, чем путь непосредственно через сильно проводящий MOSFET.

Рис. 3.2.3 Путь тока при выключенном МОП-транзисторе

На рис. 3.2.3 показан путь тока во время низкого периода цикла переключения прямоугольной формы. Поскольку полевой МОП-транзистор быстро отключается, внезапное падение тока заставляет L1 создавать противо-ЭДС. в противоположной полярности к напряжению на L1 в течение периода включения, чтобы поддерживать ток. Это приводит к двум напряжениям, напряжению питания V _IN и обратной ЭДС (V _L ) на L1 последовательно друг с другом.

Это более высокое напряжение (V _IN +V _L ), теперь, когда нет пути тока через MOSFET, смещает D1 в прямом направлении. Результирующий ток через D1 заряжает C1 до V _IN + V _L за вычетом небольшого падения прямого напряжения на D1, а также питает нагрузку.

Рис. 3.2.4 Путь тока при включенном МОП-транзисторе

На рис. 3.2.4 показано действие схемы во время включения МОП-транзистора после первоначального запуска. Каждый раз, когда МОП-транзистор проводит ток, катод D1 более положителен, чем его анод, из-за заряда C1. Таким образом, D1 выключается, поэтому выход схемы изолирован от входа, однако нагрузка продолжает питаться напряжением V _IN +V _L от заряда на С1. Несмотря на то, что заряд C1 уходит через нагрузку в течение этого периода, C1 перезаряжается каждый раз, когда MOSFET выключается, поэтому поддерживается почти стабильное выходное напряжение на нагрузке.

Теоретическое выходное напряжение постоянного тока определяется входным напряжением (V _IN ), деленным на 1 минус рабочий цикл (D) сигнала переключения, который будет некоторым числом между 0 и 1 (соответствует от 0 до 100 %). ) и, следовательно, может быть определена по следующей формуле:

Пример:

Если прямоугольная волна переключения имеет период 10 мкс, входное напряжение 9 В и время включения составляет половину периодического времени, т. е. 5 мкс, то выходное напряжение будет:

В _OUT = 9 /(1-0,5) = 9/0,5 = 18 В (минус падение напряжения на выходном диоде)

Поскольку выходное напряжение зависит от рабочего цикла, важно, чтобы он точно контролировался. Например, если коэффициент заполнения увеличился с 0,5 до 0,99, выходное напряжение будет:

В _ВЫХОД = 9/(1- 0,99) = 9/0,01 = 900 В

Однако до того, как будет достигнут этот уровень выходного напряжения, конечно, могут возникнуть серьезные повреждения (и задымление), поэтому на практике если схема специально не рассчитана на очень высокие напряжения, изменения рабочего цикла остаются намного ниже, чем указано в этом примере.

Рис. 3.2.5 Работа повышающего преобразователя

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы начать.

См. пути тока во время периодов включения и выключения переключающего транзистора. Обратите внимание, что работа во время первого периода «Вкл.» отличается от более поздних периодов, поскольку конденсатор (С) не заряжается до конца первого периода «Вкл.».

Наблюдайте, как магнитное поле вокруг катушки индуктивности растет и разрушается, и наблюдайте за изменением полярности напряжения на L.

Наблюдайте за эффектом пульсаций во включенном и выключенном состояниях переключающего транзистора.

См. входное напряжение и противоэ.д.с. V _L добавить, чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное напряжение.

Нажмите паузу, чтобы зафиксировать видео во включенном или выключенном состоянии.

Нажмите «Воспроизвести», чтобы продолжить воспроизведение видео с точки остановки.

 

И.К. Повышающий преобразователь

Рис. 3.2.6 Типовой I.C. Повышающий преобразователь (LM27313)

Из-за легкости, с которой повышающие преобразователи могут обеспечивать большие перенапряжения, они почти всегда включают некоторую стабилизацию для управления выходным напряжением, и существует множество ИС. изготовленный для этой цели Типичный пример I.C. повышающий преобразователь показан на рис. 3.2.6, в данном примере это LM27313 от Texas Instruments. Этот чип предназначен для использования в системах с низким энергопотреблением, таких как карманные компьютеры, камеры, мобильные телефоны и устройства GPS.

В этой схеме соответствующая доля выходного напряжения (V _OUT ), зависящая от отношения R2:R3, используется в качестве образца и сравнивается с эталонным напряжением в микросхеме. Это создает напряжение ошибки, которое используется для изменения рабочего цикла импульсного генератора, позволяя получить диапазон автоматически регулируемых добавочных напряжений от 5 В до 28 В.

LM27313 содержит внутренний генератор, работающий на фиксированной частоте около 1,6 МГц. Переключающий транзистор FET также является внутренним и переключает ток через L1 через клемму SW. Обратите также внимание на то, что для D1 используется диод Шоттки с соответствующим номинальным напряжением и током, чтобы минимизировать потери из-за прямого падения напряжения на диоде и обеспечить высокую скорость переключения. И.К. также имеет функцию отключения (SHDN), управляемую внешней логикой, с помощью которой повышающий преобразователь может быть отключен, когда он не требуется, для экономии заряда батареи.

Цепи защиты

Другие функции безопасности, обеспечиваемые I.C. отключаются из-за перегрузки по току, что отключает переключатель цикл за циклом, если обнаруживается слишком большой ток, и средством отключения при перегреве.

Стабильность

Еще одна проблема, стоящая перед разработчиками высокочастотных повышающих преобразователей, связана со стабильностью, поскольку на частотах МГц может возникать как отрицательная, так и положительная обратная связь просто из-за электромагнитных полей, излучаемых между компонентами внутри схемы, особенно там, где компоненты схемы находятся в очень непосредственная близость, как в макетах для поверхностного монтажа. Поэтому C2 добавляется для улучшения стабильности и предотвращения возможных колебаний из-за возникновения нежелательной положительной обратной связи.

 

Основы, работа, конструкция и применение

---

Содержание

Введение

Повышающий преобразователь представляет собой преобразователь постоянного тока, предназначенный для выполнения повышающего преобразования подаваемого на вход постоянного тока. В повышающем преобразователе поставляемый фиксированный вход постоянного тока усиливается (или увеличивается) до регулируемого выходного напряжения постоянного тока, т. е. выходное напряжение повышающего преобразователя всегда больше, чем входное напряжение. Таким образом, повышающий преобразователь также называют повышающим преобразователем или повышающим прерывателем. Он получил название «повышение», потому что полученное выходное напряжение выше, чем подаваемое входное напряжение. Он выполняет обратную операцию понижающего преобразователя, который преобразует более высокий входной постоянный ток в более низкий выходной постоянный ток.

Повышающий преобразователь используется для повышения входного напряжения до более высокого уровня в соответствии с требованиями нагрузки. Это повышающее преобразование в повышающем преобразователе достигается за счет накопления энергии в катушке индуктивности и передачи ее на нагрузку при более высоком напряжении. Повышающие преобразователи широко используются в устройствах с батарейным питанием, где, возможно, пара батарей обеспечивает 3 В, но должна питать цепь 5 В.

Как мы знаем, произведение напряжения и тока дает мощность, увеличение напряжения на выходе повышающего преобразователя означает уменьшение выходного тока через цепь.

Имеется как минимум два полупроводника (например, диод и транзистор) и как минимум один элемент накопления энергии (например, катушка индуктивности, конденсатор или оба). Другие полупроводниковые устройства, такие как силовые MOSFET, силовые BJT, IGBT и т. д., используются в качестве переключателей в схемах повышающих преобразователей. Тиристоры обычно не используются для преобразователей постоянного тока в постоянный, потому что при использовании тиристоров требуется другая внешняя цепь связи.

---

Принцип действия повышающего преобразователя

Работа повышающего преобразователя основана на принципе накопления энергии в катушке индуктивности. Падение напряжения на катушке индуктивности пропорционально изменению электрического тока, протекающего через устройство. Схема работает таким образом, что помогает поддерживать регулируемый и повышенный выход постоянного тока на нагрузке.

Принципиальная схема типичного повышающего преобразователя показана на рисунке ниже.

В этой схеме твердотельное устройство, такое как силовой МОП-транзистор, который работает как переключатель, подключено к источнику. В качестве второго ключа используется диод. Диод подключен к конденсатору и нагрузке. Конденсатор и нагрузка соединены параллельно, как показано на приведенной выше принципиальной схеме. Катушка индуктивности включена последовательно с источником напряжения питания, что приводит к постоянному входному току. Таким образом, повышающий преобразователь действует как источник входного постоянного тока, а нагрузки действуют как источник постоянного напряжения.

Управляемый переключатель S включается и выключается с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции). ШИМ может быть временным или частотным. Модуляция на основе времени в основном используется для Boost Converter, потому что она проста в создании и использовании. В этом типе ШИМ-модуляции частота остается постоянной. В то время как частотная модуляция имеет широкий диапазон частот для достижения желаемого управления переключателем и имеет сложную конструкцию LC-фильтра нижних частот.

Есть два режима работы повышающего преобразователя. Их:

1. Режим I: переключатель S включен, а диод D выключен
2. Режим II: переключатель S выключен, а диод D включен

---

Режим I: переключатель S включен, а диод D выключен

В этом режиме работы переключатель S находится в замкнутом состоянии, т. е. в состоянии ON, а диод D находится в разомкнутом состоянии, т. е. в выключенном состоянии. Таким образом, переключатель S позволяет протекать через него току. Весь ток будет протекать по замкнутому контуру, включая катушку индуктивности L, переключатель S и обратно к источнику постоянного тока. Принципиальная схема для этого режима показана на рисунке ниже.

Здесь полярность катушки индуктивности будет соответствовать направлению тока. В этом режиме работы диод D находится в состоянии обратного смещения, так что диод не пропускает ток через него в цепь. В этом случае напряжение на переключателе S появится на сопротивлении нагрузки и, следовательно, на выходном напряжении.

Допустим, переключатель S включен на время Ton и выключен на время Toff.

Тогда общий период времени T представляет собой комбинацию времени Ton и Toff.

$$
\text { т.е. } \mathrm{T}=T_{o n}+T_{o f f}
$$

Тогда частота переключения определяется как:

$$
f_{\text {переключение} }=\frac{1}{T}
$$

А рабочий цикл определяется как:

$$
\mathrm{D}=\frac{T_{o n}}{T}
$$

Применяя КВЛ в приведенной выше схеме, получаем:

$$
V_{i n}=V_L
$$

Имеем:

$$
V_L=\mathrm{L} \frac{d I_L}{d t}
$$

$$
V_L=\mathrm{L} \frac{d I_L}{d t}=V_{i n}
$$

$$
\frac{d I_L}{d t}=\frac{V_{i n}}{L }
$$

Кроме того,
$$
\frac{d I_L}{d t}=\frac{\Delta I_L}{\Delta t}=\frac{\Delta I_L}{D t}=\frac{ V_{i n}}{L}
$$

Поскольку переключатель S находится в замкнутом состоянии в течение времени Ton = DT , значит, 𝚫t = DT .
Тогда

$$
\Delta I_L=\left(\frac{V_{i n}}{L}\right) \mathrm{DT}
$$

Это уравнение дает изменение тока в цепи, когда переключатель S замкнут. то есть в режиме I.

---

Режим II: переключатель S выключен, а диод D включен

В этом режиме работы переключатель S находится в разомкнутом состоянии, т.е. выключен, а диод D закрыт, т.е. включен. Таким образом, переключающий диод D позволяет протекать через него току, тогда как переключение S блокирует протекание тока через него. Принципиальная схема для этого режима показана на рисунке ниже.

Как мы знаем, катушка индуктивности в цепи хранит энергию в виде магнитного поля, катушка индуктивности действует как источник, когда переключатель S разомкнут. Следовательно, диод D закрывается. В этом режиме работы индуктор высвобождает энергию, накопленную в предыдущем режиме, когда переключатель S был замкнут. Во время высвобождения энергии, накопленной в катушке индуктивности, полярность катушки индуктивности меняется на обратную, что приводит к тому, что диод D переходит в состояние прямого смещения.

Таким образом, это позволяет протекать току в цепи через диод D. Способ протекания тока показан на рисунке выше.

Высвобожденная энергия в конечном итоге рассеивается на сопротивлении нагрузки, что помогает поддерживать протекание тока в том же направлении через нагрузку, а также повышает выходное напряжение. Ток через индуктор имеет убывающий характер и затухнет через определенный момент времени.

Теперь, применив KVL к приведенной выше схеме, где мы сохранили исходное соглашение для анализа схемы, мы получаем:

$$
V_{in}-V_L-V_o=0
$$

$$

V_L= В_{ин}-В_о
$$

$$
\text { Также имеем, } V_L=\mathrm{L} \frac{d I_L}{d t}
$$

$$
\text { Итак, } V_L=\ mathrm{L} \frac{d I_L}{d t}=V_{i n}-V_o
$$

$$
\frac{d I_L}{d t}=\frac{V_{i n}-V_O}{L }
$$

Из вышеизложенного известно, что:

$$
\mathrm{T}=T_{\text {on}}+T_{\text {off}}
$$

$$
\mathrm{T}=\mathrm{DT}+T_{\text {off}}
$$

$$
\mathrm{T}-\mathrm{DT}=T_{o f f}
$$

$$
(1-\mathrm{D}) \mathrm{T}=T_{o f f}
$$

$$
T_{o f f}=(1-\mathrm{D}) \ mathrm{T}
$$

$$
T_{o f f}=\Delta \mathrm{t}=(1-\mathrm{D}) \mathrm{T}
$$

$$
\text { Теперь } \ frac {d I_L} {d t} = \ frac {\ Delta I_L} {\ Delta t} = \ frac {\ Delta I_L} {(1-D) T} = \ frac {V_ {i n} — V_o}{L}
$$

Затем
$$
\Delta I_L=\left(\frac{V_{i n}-V_o}{L}\right)(1-\mathrm{D}) \mathrm {T}
$$

Это уравнение дает изменение тока в цепи, когда переключатель S разомкнут.

то есть в режиме II.

Поскольку чистое изменение тока через индуктор за один полный цикл равно нулю, то есть сумма скорости изменения тока в режиме I и режиме II становится равной нулю

$$
\text { т.е. } \Delta i_L(\ text {Mode I})+\Delta i_L(\text {Mode II})=0
$$

$$
\left(\frac{V_{i n}}{L}\right) \mathrm{DT} +\left(\frac{V_{i n}-V_o}{L}\right)(1-\mathrm{D}) \mathrm{T}
$$

При упрощении получаем:
$$
\ frac{V_O}{V_{in}}=\frac{1}{1-D}
$$

Мы знаем, что значение рабочего цикла D изменяется от 0 до 1. Для этого диапазона D выходное напряжение больше, чем входное напряжение. Таким образом, повышающий преобразователь увеличивает входное напряжение. Однако при D=1 отношение выходного напряжения к входному в установившемся режиме стремится к бесконечности, что физически невозможно. На практике значение D поддерживается на уровне более 0,7, что приводит к нестабильности, поскольку повышающий преобразователь представляет собой нелинейную схему.