DC/DC преобразователи — виды, принципы работы, схемы

13.10.2011

Принцип работы DC/DC преобразователей импульсного типа основан на явлении самоиндукции. При прерывании тока, идущего через катушку индуктивности, в магнитном поле, которое индуцировано вокруг нее, возникает ЭДС, а на ее клеммах — напряжение обратной полярности. Управляя током и временем переключения схемы, можно выполнять регулировку напряжения самоиндукции.

Импульсный конвертор DC/DC представляет собой электронную схему, которая содержит катушку индуктивности. Она циклически подключается к источнику электропитания и отключается от него. Поскольку катушка нуждается в циклической зарядке, схема также должна включать конденсатор, выполняющий фильтрацию электросигнала и поддерживающий величину выходного напряжения. В качестве регулировочного элемента, управляющего временем пропускания электрического тока, выступает транзистор или тиристор.

Преобразователи применяются для построения источников питания в вычислительной технике, телекоммуникационной аппаратуре, автоматизированных системах управления, мобильных устройствах. Они обеспечивают изменение выходного постоянного напряжения в большую или меньшую сторону относительно входного напряжения.

Существует несколько типов преобразователей DC/DC. Выбор модели зависит от того, для чего нужен источник питания и каковы должны быть его характеристики. Основными рабочими параметрами импульсных преобразователей являются:

  • выходное напряжение. Оно может быть фиксированным и регулируемым в определенном диапазоне;
  • входное напряжение;
  • выходной ток. Он определяет, насколько мощную нагрузку можно питать от источника. Расчет мощности конвертора осуществляется по формуле Р = U*I, где U — Напряжение, а I — сила электротока;
  • стабилизация напряжения;
  • величина пульсаций;
  • КПД.

Также при выборе нужно уделять внимание наличию систем защиты от перегрузок, перегрева и КЗ, наличию гальванической развязки, которая исключает возможность подачи опасного входного напряжения на выходные контакты.

По назначению устройства бывают:

  • понижающими;
  • повышающими;
  • инвертирующими.

Понижающие преобразователи (регуляторы I типа)

Используются для нагрузок, которым для работы необходимо большие токи и малые напряжения. Фундаментальная схема DC/DC конвертора этого типа состоит из катушки индуктивности, конденсатора, ключевого транзистора, диода. Переключение сигнала осуществляется посредством транзистора, который управляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Время открывания и закрывания ключа задается рабочим циклом. Когда транзистор открыт, электроток свободно протекает через катушку, конденсатор, сопротивление. Выполняется накопление энергии в конденсаторе и дросселе, а увеличение тока осуществляется постепенно, а не дискретно. Диод остается в запертом положении.

Когда напряжение достигнет заданного значения, транзистор запирается. Ток начинает течь по контуру с открытым диодом благодаря ЭДС самоиндукции. Значение электротока медленно уменьшается.

Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)

Они применяются для электропитания потребителей, которым необходимо напряжение, большее, чем напряжение источника энергии. Принцип работы DC/DC преобразователя повышающего типа аналогичен понижающему конвертору. Устройство состоит из тех же элементов, но имеет другую схему подключения. Открывание и закрывание транзистора также осуществляется с помощью настроек ШИМ.

Открытый ключ обеспечивает протекание тока через транзистор и дроссель. При этом катушка запасает электроэнергию, а закрытый диод не позволяет разряжаться выходному конденсатору, питающему нагрузочное сопротивление. Как только напряжение падает ниже заданного уровня, происходит закрывание транзистора. В результате диод открывается и начинается подзарядка конденсатора. Входное напряжение суммируется с энергией, которая генерируется на катушке. Благодаря этому выходной сигнал становится выше, чем исходный. После достижения верхней границы напряжения, ключ снова закрывается, и цикл начинается заново.

Инвертирующие преобразователи (регуляторы III типа)

Предназначены для получения напряжения обратной полярности. При этом выходной сигнал может быть как ниже входного, так и выше. Микросхемы ДС/ДС преобразователей напряжения инвертирующего типа содержат тот же набор базовых элементов, что и вышеописанные устройства I и II типов, но их соединение выполнено в другой последовательности. К источнику питания последовательно подключаются транзистор, диод, сопротивление нагрузки с конденсатором. Индуктивный накопитель энергии подсоединяется между коммутирующим элементом и диодом.

При замыкании ключа энергия запасается в катушке. Диод при этом закрыт и не дает электротоку протекать к нагрузке. При отключении транзистора ЭДС индуктивного накопителя прикладывается к участку цепи с диодом, сопротивлением и конденсатором. Диод выпрямителя пропускает только импульсы напряжения с отрицательным знаком, поэтому на выходе формируется инверсное напряжение, знак которого противоположен знаку источника.

Приведенные выше варианты представляют собой упрощенные схемы конверторов постоянного напряжения. Подавляющее большинство современных преобразователей отличается намного более сложным устройством. Например, они оснащены гальванической развязкой, которая обеспечивает изоляция входной электроцепи от выходной. Их широко используют в источниках питания с IGBT-транзисторами, программируемых логических контроллерах. За счет гальванической развязки достигается высокий уровень безопасности и помехоустойчивости.

При этом схема DC/DC конвертора может быть регулируемой, нерегулируемой и полурегулируемой.