Понижающий преобразователь постоянного напряжения (DC-DC преобразователь) — это электронное устройство, которое преобразует одно постоянное напряжение в другое постоянное напряжение с меньшим значением. Он применяется для обеспечения стабильного и регулируемого питания для электронных устройств, работающих от разных напряжений.
DC-DC преобразователи могут быть реализованы различными способами, включая понижающие, повышающие и инвертирующие преобразователи.
Понижающий преобразователь напряжения является одним из наиболее распространенных типов, который применяется в различных устройствах, таких как мобильные устройства, электронные системы автомобилей, компьютерные системы и многие другие (смотрите - Преобразователи напряжения постоянного тока).
Как устроены самые простые DC-DC преобразователи?
Самые простые DC-DC преобразователи называются шаговыми преобразователями или DC-DC конвертерами с фиксированным коэффициентом понижения напряжения (шаговые преобразователи, buck converter).
Они состоят из индуктивности, диода, конденсатора и ключа, который переключает цепь индуктивности. Эти компоненты соединены в особую схему, которая позволяет преобразовывать постоянное напряжение на входе в меньшее постоянное напряжение на выходе.
В основе работы простого DC-DC преобразователя лежит принцип переноса энергии с использованием индуктивности.
Ключ переключает цепь индуктивности таким образом, что индуктивность заряжается током от источника питания через диод, а затем выключается, и ток через индуктивность переключается на конденсатор и нагрузку.
Ключ включается и выключается периодически, создавая периодическое изменение напряжения на индуктивности. Это приводит к появлению на выходе переменного напряжения, которое сглаживается конденсатором и приводится к стабильному постоянному напряжению, подходящему для питания электронной нагрузки.
Такие преобразователи не подходят для работы с большими токами и высокими частотами переключения. Однако, для некоторых простых приложений, например, для питания маломощных электронных устройств, они могут быть весьма эффективны.
Схема простого импульсного DC-DC преобразователя с фиксированным коэффициентом понижения напряжения
На схеме простых DC-DC преобразователей обычно присутствуют следующие элементы:
- источник постоянного напряжения (например, батарея);
- ключ (обычно это транзистор или мосфет);
- индуктивность;
- диод;
- конденсатор;
- нагрузка.
Ключ и индуктивность обычно располагаются последовательно, таким образом, что когда ключ замкнут, индуктивность заряжается, а когда ключ разомкнут, индуктивность выдает энергию в нагрузку.
Диод и конденсатор обычно располагаются параллельно нагрузке и служат для сглаживания выходного напряжения.
В зависимости от конкретной схемы, могут присутствовать дополнительные элементы, такие как резисторы, датчики тока или напряжения и т.д.
Как работают такие преобразователи?
DC-DC преобразователи с фиксированным коэффициентом понижения напряжения работают по принципу использования индуктивности для хранения энергии в магнитном поле.
Эти преобразователи имеют фиксированный коэффициент преобразования, который определяется соотношением между входным и выходным напряжениями и временем, в течение которого индуктивность заряжается и разряжается.
В простейшем преобразователе, показанном на схеме выше, в момент когда ключ замыкается, индуктивность заряжается, создавая магнитное поле, которое сохраняет энергию.
Когда ключ размыкается, магнитное поле индуктивности вызывает появление обратного ЭДС, которая заряжает выходной конденсатор. При этом входное напряжение уменьшается на напряжении на диоде.
DC-DC преобразователи с фиксированным коэффициентом повышения напряжения работают аналогично, но элементы располагаются в другом порядке, и вместо диода используется коммутационный транзистор.
Коэффициент преобразования DC-DC преобразователей с фиксированным коэффициентом определяется соотношением между временем зарядки и разрядки индуктивности и входным (выходным) напряжением.
Как используется индуктивность, подключенная последовательно с нагрузкой, для снижения напряжения постоянного тока на нагрузке?
Когда диод закрыт, индуктивность заряжается от входного напряжения и энергия сохраняется в магнитном поле индуктивности. Когда диод открыт, энергия магнитного поля индуктивности передается через диод к нагрузке. При этом индуктивность становится разряженной, а нагрузка получает энергию от индуктивности, что приводит к снижению напряжения на нагрузке.
Таким образом, индуктивность в понижающем преобразователе постоянного напряжения служит для сохранения энергии и переноса ее на нагрузку во время открытия диода, что приводит к снижению напряжения на нагрузке. Это позволяет использовать более высокое входное напряжение для преобразования его в более низкое выходное напряжение на нагрузке.
Как изменится выходное напряжение на нагрузке, если изменить входное напряжение или сопротивление нагрузки?
Выходное напряжение на нагрузке в этой схеме зависит от входного напряжения, сопротивления нагрузки и параметров компонентов. Если входное напряжение изменится, то выходное напряжение также изменится пропорционально соотношению входного и выходного напряжений.
Например, если входное напряжение увеличится вдвое, а сопротивление нагрузки останется неизменным, то выходное напряжение уменьшится вдвое. Если изменится сопротивление нагрузки, то выходное напряжение также изменится в соответствии с законом Ома.
Если сопротивление нагрузки увеличится, то выходное напряжение уменьшится, а если сопротивление нагрузки уменьшится, то выходное напряжение увеличится.
Для оптимальной работы схемы важно выбирать компоненты с определенными параметрами, которые будут обеспечивать необходимую стабильность и надежность работы при изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки.
Кроме того, важно учитывать потери энергии в компонентах, таких как диод и индуктивность, которые могут привести к дополнительным пульсациям выходного напряжения на нагрузке.
Как управлять выходным напряжением такого DC-DC преобразователя?
Для управления выходным напряжением DC-DC преобразователя с фиксированным коэффициентом понижения напряжения используются различные методы.
Один из наиболее распространенных методов - это изменение скважности ШИМ (широтно-импульсной модуляции) на входе преобразователя.
Суть метода заключается в том, что управляющий сигнал ШИМ изменяет скважность импульсов на входе преобразователя, что в свою очередь приводит к изменению соотношения времени наличия высокого и низкого уровней на выходе преобразователя. Это позволяет контролировать выходное напряжение.
Для изменения скважности ШИМ могут применяться различные методы, например, изменение ширины импульсов на входе преобразователя с помощью аналоговых или цифровых управляющих сигналов.
В некоторых преобразователях также используются методы управления с помощью обратной связи, при которых сигнал на выходе преобразователя сравнивается с эталонным значением, и соответствующий управляющий сигнал формируется на основе разности между ними.
Кроме того, некоторые DC-DC преобразователи могут иметь возможность управления выходным напряжением с помощью изменения других параметров, например, частоты переключения ключей, входного напряжения и т.д.
Какие преимущества и недостатки есть у преобразователей с фиксированным коэффициентом понижения напряжения?
Преимущества:
- Простота и компактность: эти преобразователи обычно имеют меньшее количество компонентов и меньший размер по сравнению с другими типами преобразователей.
- Высокая эффективность: благодаря простоте схемы и отсутствию необходимости в сложных управляющих схемах, преобразователи с фиксированным коэффициентом понижения/повышения напряжения могут иметь высокий КПД.
- Надежность: такие преобразователи обычно имеют меньшее количество компонентов, что уменьшает вероятность отказов и повышает надежность.
Недостатки:
- Ограниченный диапазон понижения напряжения: такие преобразователи могут иметь ограниченный диапазон изменения напряжения, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях.
- Необходимость подбора компонентов: чтобы достичь необходимых характеристик, таких как выходное напряжение и ток, необходимо правильно подобрать компоненты для схемы.
- Низкий коэффициент мощности: из-за наличия индуктивности в схеме, преобразователи с фиксированным коэффициентом понижения напряжения могут иметь низкий коэффициент мощности, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях.
Смотрите также:
Расчет компонентов простейшего преобразователя напряжения
Схема и принцип работы двухтактного преобразователя напряжения
Андрей Повный