Типи імпульсних перетворювачів напруги
Для перетворення напруги одного рівня в напругу іншого рівня часто застосовують імпульсні перетворювачі напруги з використанням індуктивних накопичувачів енергії. Такі перетворювачі відрізняються високим ККД, іноді досягає 95%, і мають можливість отримання підвищеного, зниженого або інвертованого вихідної напруги.
Відповідно до цього відомо три типи схем перетворювачів: понижуючі (рис. 4.1), що підвищують (рис. 4.2) і інвертують (рис. 4.3).
Спільними для всіх цих видів перетворювачів є п'ять елементів: джерело живлення, ключовий коммутирующий елемент, індуктивний накопичувач енергії (котушка індуктивності, дросель), блокувальний діод і конденсатор фільтра, включений паралельно опору навантаження.
Включення цих п'яти елементів в різних поєднаннях дозволяє реалізувати будь-який з трьох типів імпульсних перетворювачів.
Регулювання рівня вихідної напруги перетворювача здійснюється зміною ширини імпульсів, які керують роботою ключового коммутирующего елемента і, відповідно, що запасається в індуктивному накопичувачі енергії.
Стабілізація вихідної напруги реалізується шляхом використання зворотного зв'язку: при зміні вихідної напруги відбувається автоматичне зміна ширини імпульсів.
Понижуючий перетворювач (рис. 4.1) містить послідовно включену ланцюжок з комутуючого елемента S1, індуктивного накопичувача енергії L1, опору навантаження Rн і включеного паралельно йому конденсатора фільтра С1 [4.1]. Блокувальний діод VD1 підключений між точкою з'єднання ключа S1 з накопичувачем енергії L1 і загальним проводом.
Мал. 4.1. Принцип дії понижуючого перетворювача напруги
Мал. 4.2. Принцип дії підвищуючого перетворювача напруги
При відкритому ключі діод закритий, енергія від джерела живлення накопичується в індуктивному накопичувачі енергії. Після того, як ключ S1 буде закритий (розімкнений), запасені індуктивним накопичувачем L1 енергія через діод VD1 передасться в опір навантаження Rн. Конденсатор С1 згладжує пульсації напруги.
Підвищуючий імпульсний перетворювач напруги (рис. 4.2) виконаний на тих же основних елементах, але має інше їх поєднання: до джерела живлення підключена послідовна ланцюжок з індуктивного накопичувача енергії L1, діода VD1 і опору навантаження з паралельно підключеним конденсатором фільтра С1. Комутуючий елемент S1 включений між точкою з'єднання накопичувача енергії L1 з діодом VD1 і загальної шиною.
При відкритому ключі струм від джерела живлення протікає через котушку індуктивності, в якій запасається енергія. Діод VD1 при цьому закритий, ланцюг навантаження відключена від джерела живлення, ключа і накопичувача енергії. Напруга на опорі навантаження підтримується завдяки запасеної на конденсаторі фільтра енергії. При розмиканні ключа ЕРС самоіндукції підсумовується з напругою живлення, запасені енергія передається в навантаження через відкритий діод VD1. Отримане таким способом вихідна напруга перевищує напруга живлення.
Мал. 4.3. Імпульсне перетворення напруги з інвертуванням
Инвертирующий перетворювач імпульсного типу містить все те ж поєднання основних елементів, але знову в іншому їх з'єднанні (рис. 4.3): до джерела живлення підключена послідовна ланцюжок з комутуючого елемента S1, діода VD1 і опору навантаження Rн з конденсатором фільтра С1. Індуктивний накопичувач енергії L1 включений між точкою з'єднання комутуючого елемента S1 з діодом VD1 і загальної шиною.
Працює перетворювач так: при замиканні ключа енергія запасається в індуктивному накопичувачі. Діод VD1 закритий і не пропускає струм від джерела живлення в навантаження. При відключенні ключа ЕРС самоіндукції накопичувача енергії виявляється прикладеною до випрямляча, що містить діод VD1, опір навантаження Rн і конденсатор фільтра С1. Оскільки діод випрямляча пропускає в навантаження тільки імпульси негативної напруги, на виході пристрою формується напруга негативного знака (інверсне, протилежне по знаку напрузі харчування).
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 ж стабілізатори напруги, тим більше, що здійснити таку стабілізацію зовсім нескладно.
Імпульсні стабілізатори напруги, в свою чергу, поділяються на стабілізатори з широтно-імпульсною модуляцією і на стабілізатори з частотно-імпульсною модуляцією. У перших з них змінюється тривалість імпульсів при незмінній частоті їх проходження. По-друге, навпаки, змінюється частота імпульсів при їх незмінною тривалості. Зустрічаються імпульсного стабілізатора і зі змішаним регулюванням.
Нижче будуть розглянуті радіолюбительські приклади еволюційного розвитку імпульсних перетворювачів і стабілізаторів напруги.
Генератор, що задає (рис. 4.4) імпульсних перетворювачів з нестабілізованою вихідним напругою (рис. 4.5, 4.6) на мікросхемі КР1006ВІ1 (NE 555) працює на частоті 65 кГц. Вихідні прямокутні імпульси генератора через RC-ланцюжка подаються на транзисторні ключові елементи, включені паралельно.
Мал. 4.4. Схема задає генератора для імпульсних перетворювачів напруги
Мал. 4.5. Схема силової частини підвищує імпульсного перетворювача напруги +5/12 В
Мал. 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 слабкострумових високочастотних діодів, включених послідовно з вирівнюючими 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 В (наприклад, КД204, КД226). Як VT1 і VT2 можливе використання транзисторів типу КТ81х: структури n-р-n - КТ815, КТ817 (рис. 4.5) і р-n-р - КТ814, КТ816 (рис. 4.6) та інші. Для підвищення надійності роботи перетворювача рекомендується включити паралельно переходу емітер - колектор транзістoра діод типу КД204, КД226 таким чином, щоб для постійного струму він був закритий. далі