Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “
мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC
(преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.
Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Вторая схема.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Третья схема.
: 
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.
Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.
Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания
: 
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.
Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.
Девятая схема.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме фирмы TEXAS:
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)
Десятая схема.
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме фирмы MAXIM:
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.
Одиннадцатая схема.
Два изолированных преобразователя на микросхемах фирмы YCL Elektronics:
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.
Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- - понижающие, повышающие, инвертирующие;
- - стабилизированные, нестабилизированные;
- - гальванически изолированные, неизолированные;
- - с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.
8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)
Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.
Встретился на просторах Ali весьма интересный понижающий преобразователь напряжения, с таким набором характеристик.
Вот что заявлено у продавца:
1.Input voltage range:5-36VDC
2.Output voltage range:1.25-32VDC adjustable
3.Output current: 0-5A
4.Output power: 75W
5.High efficiency up to 96%
6.Built in thermal shutdown function
7.Built in current limit function
8.Built in output short protection function
9.L x W x H =68.2x38.8x15mm
Про самые интересные фички этого преобразователя продавец или не сказал или не заострил на них внимание. А фички весьма интересные.
1. Встроенный вольтметр входного и выходного напряжений, амперметр и ваттметр, с функцией калибровки показаний. Функция калибровки для напряжения и тока работает независимо. Реальная точность показаний после калибровки получается в районе ~0.05v. Но об этом ниже.
2. Данный понижающий преобразователь умеет работать как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока. По сути - это самый маленький и самый дешёвый лабораторный источник питания со встроенным мультиметром. К которому достаточно прицепить кроватку для аккумуляторов, чтобы получить готовое зарядное устройство любых типов аккумуляторов.
Была мысль использовать данный преобразователь как мощный преобразователь, способный утилизировать полную мощность солнечной батареи с напряжением в 6v. Так как использовать солнечную батарею планируется использовать вдали от цивилизации, где лишнего мультиметра с собой нет, очень хотелось найти преобразователь с наличием встроенного вольтметра-амперметра.
Понижающих преобразователей с функцией стабилизации тока, не боящихся КЗ, со встроенным вольтметром-амперметром совсем не большое предложение. Ближайшие конкуренты:
В общем, лучше ничего найти не удалось, и данный преобразователь был куплен. Через месяц пакет ждал на почте.
Первые-же тесты данного преобразователя разочаровали. Оказалось, что хотя сам преобразователь начинает работать при входящих напряжениях выше 3.2v, то вот с вольтметром была беда. Врал вольтметр на НЕСКОЛЬКО ВОЛЬТ!!! Поэтому первым делом была сделана калибровка. Но оказалось, что калибровка не спасает. Если откалибровать вольтметр при 5v, то начинались проблемы с показаниями при 12v и наоборот.
Позже, эксперименты показали, что вольтметр показывает корректные значения, только если входное напряжение выше 6.5v. При снижении входного напряжения ниже 6.5v вольтметр начинал врать. Причём искажались абсолютно все показания при низком входном напряжении. Даже показания выходного напряжения начинали «плыть», хотя фактически они были стабильны. Была крайне неприятно наблюдать, когда при уменьшении входного напряжения с 6.5v до 4.2v встроенный вольтметр начинал показывать, что входящее напряжение растёт. Вот пример цифр, входящего напряжения и напряжения на встроенном вольтметре.
6.74v – 6.6v
6.25v – 6.7v
5.95v – 6.7v
5.55v – 6.8v
5.07v – 7.2v
4.61v – 7.5v
4.33v – 7.8v
При падении входного напряжения ниже 4.2v вольтметр отключался вообще.
Был создан диспут, но продавец оказался нормальным и не стал упираться, 50% от цены сразу вернул.
Если забыть про вольтметр, либо рассчитывать, что питающее напряжение будет всегда больше 7v, тогда можно считать, что преобразователь работает отлично. Но для моего случая, когда основной диапазон рабочих напряжений 4v-8v это можно было считать полным фиаско.
Но тут пришла осень, длинные хмурые вечера, и стало интересно посмотреть, а нельзя ли что-нибудь сделать.
Фото основных элементов преобразователя
Оказалось, что ряд важных элементов спрятан под дисплеем, выпаивать который без особой необходимости не хотелось. Поэтому полную схему преобразователя нарисовать не получилось. Тем более, что несмотря на кажущуюся простоту, схема не такая уж и простая. Потыкав в работащий преобразователь мультиметром, стало ясно, все проблемы начинаются, когда отдельная шина питания, со стабилизированным напряжением в 5v для вольтметра и прочих «мозгов» начинает проседать. За стабильные 5v отвечает чип LM317. И как только напряжения на его входе начинает не хватать для выдачи стабильных 5v, начинаются проблемы у вольтметра.
Проблема стала понятна, но решение её не казалось таким уж простым. По идее, нужно заменить LM317 на какой-то аналог, который умеет не только понижать напряжение, но и повышать его. Аналог SEPIC преобразователя или подобного. Такие чипы есть, но они точно не будут совместимы по цоколёвке, они точно будут требовать дополнительную обвязку, да и цены на такие чипы обычно не гуманные. И тут пришла идея. А что если добавить плату повышающего преобразователя перед LM317. Тем более, что потребляемый ток «мозгами» совсем небольшой. В качестве такой платы идеально подходил преобразователь MT3608, обзоры которого есть или . Ещё одно неоспоримое достоинство MT3608 - это его цена. Сейчас на Али цена MT3608 начинается с 0.35$ и имеет тенденцию к ещё большему удешевлению.
Кроме цены, радует, то что для модификации нужно сделать минимум изменения на плате. Достаточно разрезать одну дорожку (1) и припаять три провода к MT3608 +Vin (2), -Vin (3) и +Vout (4).
Дополнительно, поверх дросселя MT3608 были намотаны несколько слоёв изоленты, чтобы выровнять высоту с подстроечным резистором. Плюс на самой плате MT3608 была добавлена перемычка для расширения диапазона регулировок потенциометром, и добавлен керамический конденсатор 10 мкф на выходе. В результате получилось так:
Полученный результат превзошёл все ожидания:
1. Значительно возросла точность показаний вольтметра-амперметра при входных напряжениях ниже 6.5v. Проще говоря, вольтметр стал работать как должен быть работать сразу. С учётом калибровки, можно выставить показания в нужном диапазоне в районе 0.05v. Хотя всё-же нужно заметить, что если точно выставить регион 5v, в районе 12v вольтметр будет врать в районе 0.3v.
2. Вольтметр теперь включается при 1.9v. Теперь можно видеть на встроенном вольтметре, момент включения силовой части преобразователя, при повышении входного напряжения выше 3.2v.
3. Теперь в случае перегрузки источника, это когда преобразователь пытается забрать от источника питания больше, чем тот может отдать, преобразователь стал работать значительно стабильнее. Силовая часть при перегрузке просаживает входное напряжение где-то до 3.45v, что вполне достаточно для питания «мозгов» преобразователя. Не происходит вход преобразователя в режим как-бы мерцания, когда напряжения не хватает для запуска «мозгов».
У данной модификации есть и пара недостатков:
1. Плата стала выше, поэтому чтобы не повредить «сэндвич», были вкручены шурупы, позволяющие устанавливать плату на ровную поверхность без риска.
2. Рабочий диапазон входных напряжений сократился. Ранее входное напряжение могло достигать 35v. Сейчас верхний предел снижен до 20v из-за ограничения MT3608 по входном напряжению. Но в моём случае это абсолютно не критично.
Мощный и довольно хороший повышающий преобразователь напряжения можно построить на основе простого мультивибратора.
В моем случае этот инвертор был построен просто для обзора работы, был сделан также небольшой ролик с работой данного инвертора.
О схеме в целом — простой двухтактный инвертор, проще трудно представить. Задающим генератором и одновременно силовой частью являются мощные полевые транзисторы (желательно использовать ключи типа IRFP260, IRFP460 и аналогичные) подключенные по схеме мультивибратора. В качестве трансформатора можно использовать готовый транс от компьютерного блока питания (самый большой трансформатор).
Для наших целей нужно задействовать обмотки 12 Вольт и среднюю точку (коса, отвод). На выходе трансформатора напряжение может доходить до 260 Вольт. Поскольку выходное напряжение является переменным, то нужно выпрямить диодным мостом. Мост желательно собрать из 4-х отдельных диодов, готовые диодные мосты предназначенны для сетевых частот 50Гц, а в нашей схеме выходная частота в районе 50кГц.
Обязательно использовать импульсные, быстрые или ультрабыстрые диоды с обратным напряжением не ниже 400 Вольт и с допустимым током 1 Ампер и Выше. Можно задействовать диоды MUR460, UF5408,HER307, HER207, UF4007, и другие.
Те же самые диоды рекомендую использовать и в схеме задающей цепи.
Схема инвертора работает на основе параллельного резонанса, следовательно, частота работы будет зависеть от нашего колебательного контура — в лице первичной обмотки трансформатора и конденсатору параллельно этой обмотке.
На счет мощности и работы в целом. Правильно собранная схема в дополнительной наладке не нуждается и работает сразу. В ходе работы ключи не должны вообще греться, если выход трансформатора не нагружен. Холостой ток инвертора может доходить до 300мА — это норма, выше уже проблема.
С хорошими ключами и трансформатором с этой схемы без особых проблем можно снять мощность в районе 300 Ватт, в некоторых случаях даже 500 ватт. Номинал входных напряжений довольно шиток, схема будет работать от источника 6 Вольт до 32 -х Вольт, больше подавать не рискнул.
Дросселя — мотаются проводом 1,2мм на желто-белых кольцах от дросселя групповой стабилизации в компьютерном блоке питания. Количество витков каждого дросселя -7, оба дросселя полностью одинаковы.
Конденсаторы параллельно первичной обмотке может чуть нагреться в ходе работы, поэтому советую использовать высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением 400 Вольт и выше.
Схема проста и полностью работоспособна, но не смотря на простоту и доступность конструкции — это не идеальный вариант. Причина — не самое лучшее управление полевыми ключами. Схема лишена специализированного генератора и управляющей цепи, что делает ее не совсем надежный, если схема предназначена для длительной работы под нагрузкой. Схема может питать ЛДС и устройства, которые имеют встроенные ИИП.
Важное звено — трансформатор, должен быть хорошо намотан и правильно сфазирован, ибо он играет основную роль в надежной работе инвертора.
Первичная обмотка 2х5 витков шиной из 5 -и проводов 0,8 мм. Вторичная обмотка намотана проводом 0,8 мм и содержит 50 витков — это в случае самостоятельной намотки трансформатора.
Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.
Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.
Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.
Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.
Фаза 1
Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.
Фаза 3
И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.
Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.
Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!
Фаза 1
Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.
Фаза 3
Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.
Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:
U ист *I ист = U потр *I потр
Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).
Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.
Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере .
- SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
- DRC — коллектор составного транзистора
- Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
- TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
- CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
- Vcc — Питание схемы
- GND — Земля
Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:
Вытравил, спаял…
Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.
