Схемы импульсных преобразователей

Критерии выбора

Критерии которым должен отвечать качественный импульсный преобразователь и стабилизатор:

Продолжительный режим работы в экстремальных моментах когда ток в нагрузке максимален;
Полная автоматизация регулирования напряжения на выходе. Только тогда можно не бояться ни перегрузок, ни даже короткого замыкания;
Высокая надёжность устройства, обусловленная высоким показателем КПД и как следствие низким выделением тепла;
Минимальные габариты и вес;
Наличие гальванической развязки, которая исключает даже теоретически саму возможность попадания опасного напряжения входа, на выходные контакты, а значит на незащищенный потребитель.

Человек не знакомый с электроникой должен помнить при выборе нужного бытового стабилизатора напряжения что он должен соответствовать главным образом мощности тех приборов, к которым он будет подключен. А также падения и всплескам напряжения, которые могут возникнуть в сети. Лучше выбирать стабилизатор или импульсный понижающий преобразователь напряжения немного с запасом по мощности, так как количество используемых потребителей в квартирах и частных домах постоянно растёт.

Возможно, вам также будет интересно

Распределение тока нагрузки между ИБП Для того чтобы два или более ИБП с двойным преобразованием энергии, включенные на общую нагрузку, были загружены в равной степени, необходимо синхронизировать их выходные напряжения по частоте, начальной фазе и амплитуде. Поддержание амплитудного и, как следствие, действующего значения выходного напряжения в современных ИБП обеспечивается с высокой точностью (±1%) этого параметра

Введение Существует несколько определений такого понятия, как «надежность», и в зависимости от того, кому зададите вопрос — специалисту по статистике, математику или инженеру, — вы получите различный ответ. Поэтому мы, как инженеры, обратимся к стандарту , который гласит, что надежность — это свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и

Вместе с такими признанными и востребованными инженерами радиоэлектронной отрасли программами, как «Обеспечение электромагнитной совместимости изделий современной техники», «Методы и средства измерения в области электромагнитной совместимости», «Проектирование печатных плат быстродействующих цифровых систем», «Обеспечение надежности ЭС при проектировании», «Основы аналого-цифровой схемотехники» и другие, Школа предлагает ряд новых программ в первом полугодии 2020 года.
Уже в марте стартует новый цикл курсов, посвященный вопросам моделирования электроники и создания карт режимов, включающий …

Как устроен прибор

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

Инвертирующие.
Повышающие.
Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

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

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

Схема простого инвертора напряжения.

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

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

Таблица – Основные характеристики преобразователя напряжения.

Принцип построения инверторов [ править | править код ]

Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах гарантируется пропорциональность выходного напряжения. В зависимости от конструктивного исполнения модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий, таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей. В случае неконтролируемых режимов циркуляции реактивной энергии реакция потребителя с реактивными составляющими нагрузки влияет на форму напряжения и его выходную величину .

Инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.

Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора (принципы так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции»). Идея этой «многократной» ШИМ заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора коммутируется на высокой частоте (многократно) при широтно-импульсном управлении. Причём длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по синусоидальному закону . Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора. . При использовании однополярного источника постоянного напряжения (доступны уровни 0 и U_d, где U_d — напряжение постоянного тока, питающего инвертор) эффективное значение первой гармоники фазного напряжения U e f f ( 1 ) = 0.45 U d <displaystyle U_<
m >^<(1)>=0.45U_<
m >>При использовании двуполярного источника постоянного напряжения (доступны уровни 0, -U_d/2 и U_d/2) амплитудное значение первой гармоники фазного напряжения U m ( 1 ) = 0.5 U d <displaystyle U_<
m >^<(1)>=0.5U_>соответственно, эффективное значение U e f f ( 1 ) = 0.35 U d <displaystyle U_<
m>^<(1)>=0.35U_<
m >>

Инверторы напряжения с самовозбуждением

Инверторы с самовозбуждением (автогенераторы) относятся к числу простейших устройств преобразования энергии постоянного тока. Относительная простота технических решений при достаточно высокой энергетической эффективности привело к их широкому применению в маломощных источниках питания в системах промышленной автоматики и генерировании сигналов прямоугольной формы, особенно в тех приложениях, где отсутствует необходимость в управлении процессом передачи энергии. В этих инверторах используется положительная обратная связь, обеспечивающая их работу в режиме устойчивых автоколебаний, а переключение транзисторов осуществляется за счет насыщения материала магнитопровода трансформатора. В связи со способом переключения транзисторов, с помощью насыщения материала магнитопровода трансформатора, выделяют недостаток схем инверторов, а именно низкий КПД, что объясняется большими потерями в транзисторах. Поэтому такие инверторы применяются при частотах f <displaystyle f>не более 10 кГц и выходной мощности до 10 Вт. При существенных перегрузках и коротких замыканиях в нагрузке в любом из инверторов с самовозбуждением происходит срыв автоколебаний (все транзисторы переходят в закрытое состояние).

Преимущества и недостатки ИБП

Конечно, как и любое другое электронное устройство, подобный блок питания имеет как свои достоинства, так и недостатки. Конечно, т.к. этот БП является более высокотехнологичным прибором, положительных качеств в нем намного больше, чем отрицательных, но все же есть необходимость объективного рассмотрения, а потому умалчивать о минусах тоже не стоит. Но все же, для начала перечислим плюсы, а после будем разбирать их подробнее.

Основными и несомненными достоинствами импульсного блока питания являются:

более легкий вес;
высокий коэффициент полезного действия;
низкая цена;
широкий диапазон токов;
присутствие защиты от различных факторов.

Ну а теперь остановимся на каждом из пунктов подробнее.

Преимущества

Малый вес и габариты достигаются за счет импульсной технологии, повышения частоты тока, а значит и уменьшения трансформаторных установок. В ИИП не требуется крупногабаритных радиаторов и обмоток. Также сокращена и емкость конденсаторов. К тому же схема выпрямления упрощается до элементарной — однополупериодной.
Естественно, что у трансформаторных блоков питания большая часть энергии уходит на прогрев, в результате чего падает КПД. У импульсных БП незначительная часть этой энергии теряется на каскадах силовых ключей. После уже все транзисторы стабильны, а потому коэффициент полезного действия у таких БП может достигать 97%.
Стоимость этих устройств снижается за счет расширения производства элементов для сборки подобной схемы. Они и непосредственно после появления на рынке стоили немного, а сейчас, когда ими насыщены все области продаж, их стоимость падает все ниже. Можно добавить, что и полупроводники возможно использовать менее мощные благодаря управляемым ключам.
Широкий диапазон достигается как раз благодаря импульсным технологиям. Допускается питание разной частоты и амплитуды, что не может не сказаться и на расширении областей их применения.
На основании того, что модули полупроводников достаточно малы, появляется возможность встраивания дополнительных блоков защиты (от короткого замыкания, перегрева, перегрузки и т.п.).

Недостатки

Если разговор зашел о плюсах, то не стоит оставлять без внимания и минусы, хотя их и ничтожно мало. Основным недочетом в работе импульсных блоков питания можно назвать высокочастотные помехи. Они естественны, т.к. само устройство работает именно на них. Как раз по этой причине используется различное шумоподавление, которое, впрочем, до конца проблему не решает.

А потому подобные ИБП не используются на некоторых высокоточных измерительных приборах.

Еще одним недостатком можно назвать некорректную работу на сверхнизких и сверхвысоких частотах — такие «стрессовые» токи могут либо вывести прибор из строя, либо на выходе он будет выдавать искаженное напряжение, не соответствующее заявленным техническим характеристикам.

Преобразователь напряжения DС-DC с гальванической развязкой

Классическая схема DC-DC устройств отличается существенным недостатком, который заключается в гальванической связи входа и выхода. В связи с этим имеется высокая вероятность удара электрическим током.

Для повышения безопасности перечисленные выше схемы могут комплектоваться разделительным трaнcформатором, который осуществляет гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Обратите внимание! Наличие трaнcформатора позволяет проектировать устройства с несколькими значениями выходного напряжения. Разделительный трaнcформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте

Разделительный трaнcформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте.

Обратная связь для контроля за выходными параметрами осуществляется через дополнительную обмотку трaнcформатора либо через оптрон.

Повышающий преобразователь с разделительным трaнcформатором вместо дросселя называется обратноходовым (flyback converter).

Статья хорошая. Нужно дополнить, что импульсный стабилизатор предназначен для слаботочки, т.е. подключить через него телевизор или комп никак не получится, только лампочку или кулер какой-нибудь.

Ромка

Кто знает схему стабилизатора для лампочки-экономки и выгодно ли его собирать самостоятельно? Насколько дешевле/дороже выходит, чем купить новую лампу?

Пашка

Какой конденсатор нужно устанавливать в узел накопления электроэнергии для стабилизатора?

Оставить комментарий Отменить ответ

Стабилизатор напряжения — как все сделать своими руками. Видео.

Трехфазный стабилизатор напряжения — если в сети 380. Видео.

Удобный, надежный, недорогой Штиль R600ST

Подключение стабилизатора напряжения пошаговая инструкция

Какие бывают преобразователи

В современно мире существует множество видов преобразователей тока, как небольших для минимальных потребностей, так и крупных способных обеспечить энергией несколько электроприборов.

Для самых простых нужд можно использовать преобразователи работающие от прикуривателя в автомобиле. Работу холодильника они конечно обеспечить не смогут, но вот радио или зарядку телефона, планшета, ноутбука вполне осилят.

Конечно всё это касается лишь дорогих и массивных преобразователей. Но и более простые, тоже не стояли на месте и улучшали свои характеристики.

Время работы будет ограниченно мощностью и ёмкостью аккумулятора. И если вы на долго отправляетесь в путешествие, то не следует слишком сильно нагружать аккумулятор и ограничивать себя в потреблении электроэнергии.

Для отдыха не природе лучше всего подойдёт компактный маломощный преобразователь. Его вполне хватит для бытовых нужд в походе.

Производство взрывозащищенного оборудования
Что нужно знать при выборе ветрогенератора
Генератор из асинхронного двигателя: схема, таблица, инструкция, как сделать своими руками + фото от мастера!

Не каждый бытовой прибор сможет работать с такой формой тока и может вовсе прийти в негодность. Поэтому следует внимательно подходить к выбору приборов для поездок на природу.

Автомобильный;
Компактный;
Стационарный тип.

Также нельзя забывать, что чем выше нагрузка на преобразователь, тем ниже его КПД. И если в этом нет необходимости, нагружать его следует минимально, чтобы не расходовать драгоценную энергию впустую.

Понятие автомобильного инвертора

Автомобильный инвертор представляет собой электронный прибор, в котором входящий постоянный ток напряжением 12В преобразуется в череду импульсов, подаваемых на трансформаторное устройство с функцией повышения или понижения. При использовании понижающего трансформатора на выходе устройства последовательность импульсов выпрямляется при помощи резисторно-емкостного фильтра и получается постоянный ток более низкого напряжения. Такой преобразователь напряжения 24 12 используется водителями грузовиков и других видов специальной техники, напряжение бортовой сети которых составляет 24 вольта. Он позволяет производить зарядку мобильных телефонов и других подобных аппаратов.

В случае необходимости получения на выходе автомобильного преобразователя переменного тока конструкция прибора усложняется. Простого повышения напряжения до необходимого значения при помощи трансформатора тут будет недостаточно. Необходимо форму выходного сигнала приблизить к правильной синусоиде для обеспечения нормального функционирования подключаемых устройств. Формирование выходного сигнала обеспечивают довольно сложные схемы генерации, повышающие трансформаторы имеют довольно большой вес и габариты.

Выбрать стабилизатор напряжения необходимо в зависимости от целей, для которых предназначено его использование. Основными критериями выбора аппарата с понижающим напряжение трансформатором являются номинальное значение выходного тока и функция защиты от перегрузок. Первая характеристика определяет максимальное значение тока на выходе прибора, которое он может поддерживать длительное время без перегрузки. Вторая обеспечивает отключение прибора при использовании устройств, суммарное потребление тока которыми значительно превышает номинальное значение.

Функция защиты предотвращает перегрев устройства и возможность его возгорания.

При длительной работе прибора возможен глубокий разряд аккумулятора автомобиля до состояния, делающим невозможным запуск двигателя. Необходимо предусмотреть опцию автоматического отключения преобразователя напряжения при достижении значений критического разряда аккумуляторной батареи.

При выборе прибора с повышающим напряжение трансформатором важнейшими характеристиками являются форма выходного сигнала и быстрота срабатывания защитного устройства. Дешевые аппараты, в особенности китайского производства, часто формируют выходной сигнал довольно сильно искажающий правильную синусоиду. Это создает проблемы для правильного функционирования подключенных электроинструментов, таких как дрель или болгарка, электродвигатель которых индуцирует мощное магнитное поле. На рынке существует огромное разнообразие различных моделей автомобильных преобразователей напряжения, цена на которые различается очень существенно. Связано это с различием эксплуатационных характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

возможность управления параметрами выходного сигнала – превращение его переменной величины в постоянное значение с использованием принципа частотного преобразования;
наличие опции коммутации входных и выходных цепей (варьирование амплитудой напряжения);
допустимость подстройки их номинальных значений под конкретную нагрузку;
компактность и простота конструкции бытовых преобразователей, которые нередко изготавливаются в модульном или настенном исполнении;
экономичность (по заявлениям производителей их КПД достигает 90%);
удобство пользования и универсальность;
возможность передачи электроэнергии на удаленные расстояния и обеспечение работы особо ответственных отраслей промышленности.

К минусам относят высокую стоимость и низкую влагостойкость (за исключением моделей, предназначенных специально для работы в условиях повышенной влажности).

Конденсатор выхода

Если частота преобразования высока, конденсатор входа тоже должен обладать большой емкостью. Потребитель с высокой мощностью не сможет серьезно снизить работоспособность данного конденсатора в ходе одного цикла.

Ни в коем случае не делайте танталовые конденсаторы входными и выходными. В их даташит указано: “не для использования в цепи питания”, так как они сложно переносят даже небольшое увеличение напряжения, а также, высокий уровень импульсного тока. Пользуйтесь стандартными конденсаторами из алюминия и электролитов.

КПД, уровень эффективности и потери тепла

Коэффициент полезного действия — не самый высокий, так как мощным ключом является двухполярный транзистор. Его падение напряжения не равно нулю, оно составляет 1,2 В. Поэтому эффективность падает и при маленьких напряжениях.

Наибольшая эффективность становится возможной при разнице между напряжением входа и выхода на уровне 12 В. Иными словами, если его снизить на 12 В, большая часть энергии уйдет на тепло.

Будем считать, что когда 12 В преобразуются в 5 В, потери при токе выхода в микросхеме равны 1,3 Вт, ток входа составляет 0,52 А. Это эффективнее преобразователя линейного типа, дающего, как минимум, потерю в 7 Вт. Потребление из сети входа — вдвое больше.

У LM2577 — втрое меньшая частота. Она намного эффективнее, так как потери во время переходных процессов не так высоки. Но устройству требуется повышенные параметры дросселя и конденсатора выхода, что приводит к лишним затратам.

Классификация приборов

Подразделение приборов на типы осуществляется по различным критериям. Так по соотношению напряжения на входе и выходе различают следующие виды устройств:

Инвертирующие;
Произвольно изменяющие напряжение.

В качестве ключа могут использоваться такие детали, как:

Транзисторы;
Тиристоры.

Кроме этого существуют отличия и в самой работе импульсных стабилизаторов постоянного напряжения. Исходя из этого они классифицируются на модели, функционирующие на:

На основе широтно-импульсной модуляции;
Двухпозиционные.

Достоинства и недостатки стабилизаторов

Модульный стабилизатор

Как и любое другое устройство модульный стабилизатор не является идеальным. Он имеет свои плюсы и минусы, о которых следует знать. К достоинствам прибора относятся:

Легкое достижение стабилизации;
Высокий КПД;
Выравнивание напряжения в широком диапазоне;
Устойчивые выходные параметры;
Компактные габариты;
Мягкое включение.

К недостаткам устройства относится в первую очередь сложное конструктивное исполнение. Наличие в нем большого количества специфических элементов не позволяет добиваться высокой надежности. Кроме того, минусом импульсного стабилизатора постоянного напряжения является:

Создание большого числа частотных помех;
Сложность выполнения ремонтных работ;
Потребность в применении устройств, компенсирующих коэффициент мощности.

Допустимый диапазон частот

Работа этого устройства возможна при достаточно высокой частоте преобразования, что является его главным отличием от приборов с сетевым трансформатором. Повышение этого параметра позволило добиться минимальных габаритов.

Для большинства моделей диапазон частот может составлять от 20 до 80 кГц. Однако выбирая как ключевые, так и ШИМ-приборы нужно учитывать высшие гармоники токов. При этом верхнее значение параметра имеет определенные ограничения, соответствующие требованиям, предъявляемым к радиочастотной аппаратуре.

Применение устройств в сетях переменного тока

Приборы этого класса способны преобразовывать постоянный ток на входе в такой же на выходе. Если предполагается использовать их в сети переменного тока, то потребуется установка выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Возможно подключение стабилизатора с использованием мостового выпрямителя. Но в таком случае он будет источником нечетных гармоник и для достижения необходимого коэффициента мощности потребуется использование конденсатора.

Обзор производителей

Выбирая стабилизатор, обращают внимание не только на его технические характеристики, но и на конструктивные особенности. Важна и марка производителя

Вряд ли будет иметь высокое качество прибор, изготовленный не известной широкому кругу покупателей фирмой.

Продукция Smartmodule

Поэтому большинство потребителей предпочитают выбирать модели, принадлежащие популярным брендам, таким как:

Hobbywing;
Smartmodule.

Продукция этих компаний отличается высоким качеством, надежностью и рассчитана на длительный срок службы.

Заключение

Использование бытовой техники и других электроприборов стало неотъемлемым условием комфортной жизни. Но для того, чтобы ваши устройства не выходили из строя при нестабильной работе электросетей, стоит заранее подумать о приобретении стабилизатора. Какую модель выбрать зависит от параметров используемого оборудования. Если предполагается подключение современных ЖК телевизоров, мониторов и аналогичных устройств, то идеальный вариант – это импульсный стабилизатор.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.