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) .

Рис 1. Схема индуктивного преобразователя.

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)

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:

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:

условие полной «зарядки» индуктивности.

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

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.

энергетическое соотношение.

Всё подставив и проинтегрировав получаем:

Рассмотрим предельный случай:

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

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