Повышающий DC-DC преобразователь — Умформер. Методика расчета и настройки.

Зачастую перед радиолюбителем встаёт вопрос о том, что в устройстве нужно два уровня напряжений, высокий и низкий, но блок низковольтного питания уже готов, а ставить дополнительный не хочется. В таких случаях есть простой вариант: добавить к данному устройству схему повышающую исходный уровень напряжения. Такие схемы называются DC-DC преобразователи или умформеры. Есть множество различных схем. Наиболее распространёнными является схема индуктивного преобразователя (рис. 1) и схема с гальванической развязкой (рис 2) .

Схема индуктивного преобразователяРис 1. Схема индуктивного преобразователя.

Схема преобразователя с гальванической развязкой

Рис 2. Схема с гальванической развязкой

Схема с гальванической развязкой.

Схема предельно простая. У вас есть трансформатор, генератор сигналов (ШИМ) и ключ, который генерирует сигнал на входе трансформатора. В результате работы трансформатора происходит двойное преобразование энергии, в результате в зависимости от обмоток трансформатора мы на выходе будем иметь переменный ток с той же частотой что и входной. Расчет крайне прост, если вспомнить расчёт трансформатора. Далее идет выпрямитель и стабилизатор.

В принципе по данной схеме построены все современные блоки питания. По параметрам можно сказать, что схема является довольно тяжёлой в плане веса, так как трансформатор будет бесить много больше остальных элементов. В большинстве задач вес играет большую роль, по этому зачастую прибегают к схеме индуктивного преобразователя.

Схема индуктивного преобразователя.

В данной схеме нет тяжёлого трансформатора и дополнительных схем стабилизации тут всё предельно просто. Есть индуктивность, запасающая энергию, и конденсатор эту энергию принимающий. Приведём расчет данной схемы для того, чтобы разобраться в том, какие элементы тут играют большую роль, а какие нет.
Для начала заменим схему с генератором и полевым транзистором на сопротивление транзистора и ключ, который мы будем замыкать и размыкать (рис. 3)

Эквивалентная схема
Рис 3. Эквивалентная схема.

Расчёт данной схемы.

Пусть в начальный момент ключ разомкнут. Тогда С2 заряжается до напряжение Uin. Uout=Uin. С1 выполняет фильтрующую функцию, но его следует рассчитывать:

Формула №1

Замыкаем ключ.

При этом начинает течь ток через R1 (сопротивление транзистора в открытом режиме), Разрядке С2 мешает диод D1. Индуктивность L1 набирает энергию. Мы стараемся достичь максимальной эффективности схемы, следственно мы будем дожидаться полной «зарядки» индуктивности. При этом потечёт ток Iin. Запишем это уравнениями:

Формула №2

условие полной «зарядки» индуктивности.

Формула №3

ток в системе(на самом деле, как показывает практика меньше).

Формула №4

накопленная энергия в индуктивности.

Размыкаем ключ.
Энергия от индуктивности переходи к конденсатору в качестве дополнительного заряда. При этом всё согласуется через энергию. Не стоит забывать о том, что часть энергии тратиться на потери в диоде.

Формула №5
энергетическое соотношение.

Всё подставив и проинтегрировав получаем:

Формула №6

Рассмотрим предельный случай:

Формула №7

где Х сопротивление конденсатора на частоте генератора + сопротивление нагрузки. Тогда:

Формула №8

На практике эти формулы выполняются с погрешностью 10-15% что является хорошей степенью расчёта.

Усовершенствования.

Если есть возможность доработать генератор, то стоит добавить обратные связи для того что бы в холостом ходе ключ был разомкнут и схема потребляла меньше электроэнергии.
Как это делать на практике читайте в следующей статье.

Автор:  Вадим Каплунов

Публикация данного материала разрешается только при условии указания авторства и размещения обратной ссылки с указанием первоисточника https://diyelectronics.ru


1 комментарий.

  1. Вадим Каплунов:

    p.s. f- частота задаваемая шимом. В виду того что что график напряжения на выходе будет иметь ступенчатый график можно сказать что полное сопротивление будет состоять из сопротивления нагрузки и реактивным сопротивлением конденсатора

Оставить комментарий


Добавить изображение

Переходник для подключения к...

Как известно, возможности линии Vbus (+5 В) USB-порта по потребляемому [...]

Индикатор стереобаланса

Если в стереофоническом УМЗЧ установлены раздельные регуляторы громкости левого и [...]

Миллиомметр. Приставка к цифровому...

Этот миллиомметр изготовил Jaanus Kalde из Эстонии. Источником образцового тока [...]

Робот «Пилигрим» своими руками

Эта игрушка является модернизированным вариантом «пограничного» робота  и имеет более [...]

Похититель джоулей. Из 1,5...

Так что же это такое – «похититель джоулей»? Это небольшая схема, которая способна «зажечь», [...]

Изготовление перемычек из провода...

Многие радиолюбители при изготовлении своих конструкций используют провод МГТФ (Монтажный [...]

Настольный робот своими руками

Этот робот был спроектирован в 2011 году в Далласе в [...]

Изготовление печатных плат своими...

Технология изготовления печатных плат «лазерно-утюжным методом» очень популярна среди радиолюбителей, [...]

Однотактный УМЗЧ на полевых...

Однотактный УМЗЧ класса А на полевых транзисторах с каналом одного [...]

Выбор спутниковой антенны

Такие «тарелки» или точнее — антенны системы спутникового телевидения ныне [...]