Преобразователи импульсов

Повышающий преобразовательИмпульсные преобразователи становятся все более популярным способом питания электронных устройств. Одно из их преимуществ — возможность повышения напряжения.

Важным преимуществом преобразователей также является их высокий КПД. Благодаря этому, они идеальны там, где есть большая разница напряжений.

Достоинства и недостатки линейных стабилизаторов

Мы уже рассмотрели линейные стабилизаторы ранее в нашей статье. Однако, прежде чем мы продолжим, давайте сделаем небольшую поправку. Линейные стабилизаторы поддерживают постоянное выходное напряжение благодаря элементу (например, транзистору), на котором создается избыточное напряжение. Схема управления постоянно контролирует выходное напряжение и корректирует падение напряжения на этом элементе. Здесь есть некоторые преимущества:

  • отсутствие помех от стабилизатора к источнику питания,
  • невысокая цена и простота эксплуатации.

К сожалению, есть и заметные недостатки:

  • теряется избыточное напряжение (превращается в тепло),
  • такая схема не может поднять напряжение.
Линейный стабилизатор LM7805
Линейный стабилизатор LM7805 в корпусе ТО-220

Альтернативным решением линейного стабилизатора является использование импульсного преобразователя. Как следует из названия, он использует импульс для своей работы. Мы не будем здесь подробно обсуждать различные типы самих преобразователей, мы сосредоточимся на параметрах и использовании готовых модулей.

Принцип работы импульсного преобразователя

Начнем с физического явления, лежащего в основе работы многих импульсных преобразователей, — с самоиндукции. Представьте себе любую катушку, по которой течет ток от батареи. Когда мы разрываем эту цепь, ток внезапно перестает течь. Однако в магнитном поле, вокруг катушки, сохраняется некоторая энергия, которую необходимо высвобождать.

Исчезающее магнитное поле создает напряжение на выводах катушки. Это напряжение «пытается удержать» ток, протекающий через катушку. Конечно, эта энергия магнитного поля исчезает, и через некоторое время это напряжение, известное как напряжение самоиндукции, также исчезает.

Явление самоиндукцииЯвление самоиндукции 2
Явление самоиндукции — катушка накапливает энергию в магнитном полеЯвление самоиндукции — катушка сопротивляется изменению тока, генерируя напряжение

Контролируя ток, протекающий через катушку, и время переключения, мы можем контролировать напряжение самоиндукции. Это явление, однако, также имеет свою нежелательную сторону, например, при выключении реле, запитанного от транзистора, индуцируемое, в этом случае, напряжение может иметь настолько высокое значение, что оно может повредить транзистор.

По этой причине кремниевые диоды (или другие элементы защиты) устанавливаются параллельно индуктивным элементам, на которых эта энергия теряется.

Преобразователь для повышения и понижения напряжения

Импульсный преобразователь обычно представляет собой небольшую электронную схему, содержащую катушку, которая периодически подключается к источнику питания и отключается от него. Конечно, это происходит очень быстро и автоматически.

Пример преобразователя
Пример преобразователя, повышающего и понижающего напряжение

Если катушка подключена так, что индуцированное на ней напряжение вычитается из напряжения, которое питает эту схему, мы получим преобразователь, понижающий напряжение. С другой стороны, если индуцированное напряжение в катушке добавляется к входному напряжению, мы получаем схему повышения напряжения.

Однако с таким преобразователем есть большая проблема: катушка требует циклической зарядки током. В это время она не может запитать подключенный к выходу приемник. Следовательно, вам нужен конденсатор, который будет фильтровать эти пульсации и поддерживать постоянное выходное напряжение.

Фильтрация не идеальна — выходное напряжение преобразователей постоянно пульсирует. Чрезмерный уровень этих пульсаций может вызвать сбой в работе схемы, например, зависание микроконтроллера (подробнее далее в статье).

Где пригодятся преобразователи?

Преобразователи используются для конвертирования постоянного напряжения. Они делают это с большим КПД, поэтому потери мощности невелики. Это делает их идеальными для схем с батарейным питанием. Преобразователи полезны, когда, например, электроника робота должна питаться от 5 В, когда схема питается от батареи на 12 В.

Предполагая, что электроника потребляет 200 мА, это дает мощность 1 Вт (5 В · 200 мА). Если бы стабилизатор 7805 использовался для понижения напряжения, мощность, потребляемая от батареи, составила бы 2,4 Вт (12 В 200 мА). Мощность, которую не потребляет приемник, то есть 1,4 Вт, будет преобразована в тепло — стабилизатор будет горячим.

Ситуация выглядит намного лучше при использовании инвертора. Для примера модуля с КПД 90% мощностью, потребляемая от батареи, составляет 1,11 Вт, то есть потери составляют всего 0,11 Вт .

Температура модуля повысится, но незначительно.

Преобразователи также незаменимы, когда необходимо увеличить напряжение. Например, устройство имеет литий-ионный аккумулятор на 3,6 В и ЖК-дисплей, адаптированный к источнику питания 5 В. Как правило, повышение напряжения менее эффективно, чем его понижение. Следовательно, обычно лучше иметь высокое напряжение питания, которое будет уменьшено до подходящего значения, чем низкое напряжение, которое будет повышено.

Существуют также схемы, которые могут автоматически переключаться (между понижающей и повышающей конфигурациями) для получения заданного выходного напряжения. Они идеально подходят для работы в схемах, где напряжение питания (например, 3,6 В) не сильно отличается от желаемого (например, 3,3 В).

Модуль повышающего / понижающего преобразователя

Некоторые наборы по электронике включают в себя примерный повышающий / понижающий преобразователь, то есть такой, который может как повышать, так и понижать напряжение. На практике такой преобразователь представляет собой небольшую плату с тремя выводами. На его плате распаяны дискретные элементы (катушка, конденсаторы) и интегральная схема, являющаяся драйвером преобразователя. Вся схема представляет собой готовый импульсный преобразователь.

Пример преобразователя POLOLU
Пример преобразователя POLOLU

Наиболее важными параметрами вышеуказанного преобразователя являются:

  • входное напряжение: 2,7–11,8 В,
  • выходное напряжение: 5–5,2 В (нерегулируемое),
  • максимальный выходной ток: 1 А для режима пониженного энергопотребления, 0,5 А для режима повышенного напряжения,
  • эффективность: описана на диаграмме (обсуждим ниже),
  • защита от перегрева.

Проще говоря, на входе этого преобразователя мы можем поставить любое напряжение в диапазоне от 2,7 В до 11,8 В, а на его выходе получаем от 5 В (до максимальных 5,2 В) — это очень хороший результат.

Большинство преобразователей этого типа имеют три контакта, которые довольно четко описаны:

  • VIN — вход для шины положительного напряжения от источника питания,
  • GND — земля, т.е. минус,
  • VOUT — выход положительной шины (здесь 5 В).
Описание выводов преобразователя
Описание выводов преобразователя
Сходство с выводами стабилизаторов типа 78xx здесь не случайно. Этот модуль подключается точно так же!

Как видно из представленных выше параметров, этот преобразователь, который может как понижать, так и повышать напряжение. Благодаря этому, вне зависимости от входного напряжения, на выходе мы получим 5 В. А как же максимальный ток? А это уже немного сложнее. Начнем с обсуждения эффективности модулей этого типа.

Что такое КПД преобразователя?

Пришло время вернуться к вышеупомянутым графикам, по которым мы можем больше всего узнать о характеристиках этого преобразователя. На первой диаграмме показан КПД преобразователя в зависимости от напряжения питания. Как видно, КПД намного выше в конфигурации с пониженной версией.

Мы можем видеть это по тому факту, что линии, обозначающие напряжение выше 5 В (фиолетовый, черный, серый), указывают нам самый высокий КПД, который плавно изменяется в зависимости от потребляемого тока. Линии, обозначающие напряжение ниже 5 В (синий, зеленый и оранжевый), указывают на более низкий КПД, который сильно зависит от потребляемого тока (чем он выше, тем сильнее снижается КПД).

График эффективности преобразователя
График эффективности преобразователя предоставленный производителем

Что даст нам приведенная выше диаграмма на практике? Мы должны понимать, что чем выше входное напряжение, тем больше тока мы можем получить от преобразователя (инвертора). Однако, если наша схема будет потреблять относительно небольшой ток, нам не нужно будет так сильно беспокоиться о входном напряжении, подаваемом на преобразователь.

Но помните, вы должны знать предельные значения токов и напряжений.

Максимальный ток, потребляемый преобразователем

Максимальный выходной ток также нельзя указать одним фиксированным числом. Этот параметр достигает максимума при входном напряжении около 6 В и уменьшается для других напряжений. Эту информацию можно посмотреть на втором графике, предоставленном производителем.

График из технической документации
График из технической документации, показывающий КПД инвертора по току

Использование инвертора на практике

Пришло время опробовать преобразователь на практике. Мы построим схему, благодаря которой сможем проверить, как ведет себя преобразователь, если мы подадим на него напряжение ниже 6 В. Для выполнения этой задачи нам потребуются:

  • 1 × модуль преобразователя,
  • Резистор 2 × 330 Ом,
  • 2 × LED (выберите свои любимые цвета),
  • 4 × 1N4148 диод,
  • 4 × микровыключатель,
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × блок для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • Комплект соединительных кабелей.

Соединяем эти элементы согласно схеме ниже. Если смотреть справа, у нас есть два светодиода и схема преобразователя. На левой стороне у нас есть блок питания и четыре кнопки с выпрямительными диодами, для понижения напряжения, возникающего на входе преобразователя.

Схема для проверки
Схема для проверки преобразователя

Правильно соединенные элементы могут выглядеть так, как на следующих фотографиях. При построении этой схемы нужно обратить внимание на правильное подключение преобразователя.

Схема на макетной платеОбразец реализации на практике
Схема на макетной платеОбразец реализации на практике

Если схема была собрана правильно, то на выходе должно быть около 5 В. Светодиоды предназначены только для нагрузки на выход преобразователя током 20 мА. Нажатие каждой кнопки закорачивает кремниевые диоды и увеличивает напряжение преобразователя на 0,7 В.

Это связано с тем, что ток будет течь «проще» — если кнопка не нажата, ток должен течь через диод (что также снижает напряжение). После нажатия кнопки подавляющая часть тока будет проходить по менее требовательному пути, то есть через контакты кнопки. При нажатии каждой кнопки происходит обход одного светодиода — ситуация аналогична той, что была в статье о светодиодах RGB.

Схема питается от четырех диодов
Схема питается от четырех диодов, на выходе 5 В

Подключение к схеме мультиметра позволяет проверить выходное напряжение при изменении входного напряжения. В рамках упражнения проверьте сами, влияет ли и как влияет изменение напряжения на входе на выходное напряжение — разница должна быть практически минимальной.

Схема питается от трех диодов
Схема питается от трех диодов, на выходе чуть больше 5В

Если не удобно прикладывать щупы мультиметра к элементам, можно доработать схему таким образом, чтобы не приходилось удерживать кнопки — замените их соединительными проводами.

Параметры импульсных преобразователей

Теперь, когда мы проверили поведение схемы на практике, стоит узнать наиболее важные параметры этих чрезвычайно полезных модулей. Импульсный преобразователь, как и любую систему питания, можно описать несколькими основными свойствами, наиболее важные из которых обсуждаются ниже.

Выходное напряжение — может быть постоянным (нерегулируемым) или задаваться в определенном диапазоне. Если оно постоянное, производитель должен указать, с какой погрешностью оно определяется, например, 5 В (± 0,2 В). В нашем эксперименте мы использовали преобразователь с постоянным выходным напряжением.

Будьте внимательны, ни при каких обстоятельствах не превышайте допустимые параметры. При слишком высоком напряжении инвертор может выйти из строя!

Максимальный выходной ток — ток, который может непрерывно поступать с выхода преобразователя. Это будет зависеть от входного напряжения.

Входное напряжение — в зависимости от типа преобразователя должно быть:

  • ниже выхода, если схема повышающего типа (другое название: boost),
  • выше выхода, если схема понижающая (другое название: buck),
  • выше или ниже, но в пределах диапазона, если схема повышающая / понижающая (также известная как SEPIC ).

В случае первых двух конфигураций, производитель также должен указать минимальное напряжение, которое должно быть установлено между входом и выходом преобразователя. В случае линейных стабилизаторов, речь идет о минимальном падении напряжения. Третья конфигурация имеет заданный диапазон, в котором входное напряжение должно падать — схема сама примет решение о его повышении или понижении.

Повышающий / понижающий преобразователь отлично подойдет, если мы хотим получить 5 В, а аккумулятор подает напряжение от 4 до 6 В (в зависимости от заряда). Преобразователь справится с этим без проблем — сначала он снизит напряжение, а потом начнет его повышать.

КПД следует понимать как отношение выходной мощности к входной. Разница между этими мощностями — это потери, которые будут выделяться в виде тепла. Выражается в процентах. Чем ближе к 100%, тем лучше для нас.

Эффективность зависит от так называемого условия эксплуатации, т. е. подаваемое напряжение и потребляемый ток. Поэтому вам следует внимательно изучить даташиты производителя на предмет диаграмм. Может оказаться, что очень дорогой преобразователь имеет параметры хуже, чем гораздо более дешевый.

В случае линейных стабилизаторов, эффективность зависит от разницы между входным и выходным напряжением. Чем больше эта разница, тем больше мощности мы теряем в схеме. Для рассмотренного ранее стабилизатора, КПД составил всего 42%.

Простое зарядное USB-устройство

Модуль импульсного преобразователя, обеспечивающий стабилизированное выходное напряжение 5 В, идеально подходит для создания простого зарядного USB-устройства. Схема будет питаться от блока батареек АА, а с помощью USB-разъема можно будет заряжать любое подходящее для этого устройство, например, телефон.

Некоторые зарядные устройства (powerbank) работают точно так же!

На этот раз нам понадобятся:

  • 1 × модуль преобразователя S7V7F5,
  • 1 × USB-разъем,
  • Конденсатор 2 × 100 нФ,
  • 2 × 220 мкФ конденсатор,
  • Резистор 1 × 330 Ом,
  • 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × блок для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • Комплект соединительных проводов,
  • устройство, которое вы хотите зарядить (вместе с USB-кабелем). Вы можете использовать телефон, наушники, внешний аккумулятор или все, что заряжается с помощью USB. Если у вас под рукой нет такого устройства, вы можете собрать схему и проверить мультиметром, на выходе должно быть 5В.

Соединяем все элементы согласно схеме ниже. При установке этой схемы на макетную плату убедитесь, что конденсаторы C1 и C2 расположены как можно ближе к преобразователю, а C3 и C4 — ближе к разъему USB.

Обратите особое внимание на правильное подключение проводов кUSB разъему.
Схема зарядного устройства
Схема простого зарядного устройства с USB

В собранном виде зарядное устройство может выглядеть так:

Схема зарядного устройства на макетной плате
Схема зарядного устройства на макетной плате

Зарядка может занять много времени, т.к. устройство определяет только напряжение на дорожках схемы, без дополнительных сигналов. В этом режиме работы, ток, потребляемый зарядным устройством, не будет превышать 100 мА.

Современные устройства, в режиме быстрой зарядки, могут потреблять даже более 2 А (это ток, превышающий возможности этого преобразователя), поэтому останемся в режиме медленной зарядки.

Стандарт USB имеет точную спецификацию. В спецификации стандарта 2.0, который все еще очень популярен, можно прочитать, что ненастроенные устройства могут потреблять до 100 мА — отсюда и данное ограничение.

Тема потребления большего количества тока устройствами с питанием от USB относительно сложна, особенно с учетом появления разъема USB типа C. Поэтому, на данный момент, мы остановимся на базовой версии зарядного устройства.

Помехи от преобразователей

Уже в начале статьи мы упоминали, что преобразователи вносят помехи в напряжение, которое появляется на их выходе. В рамках эксперимента мы сравним две схемы со стабилизатором LM7805 и преобразователем, обсуждаемым в этой статье. Обе версии будут работать в идентичных условиях, как показано на схеме ниже.

Тестовая схема
Тестовая схема, в которой возможна замена стабилизатора на преобразователь

Через резистор 330 Ом будет протекать небольшой ток 15 мА, этого достаточно для имитации нагрузки. Керамические конденсаторы были добавлены для правильной работы 7805 (нам не понадобятся другие компоненты для этого эксперимента).

Чтобы увидеть помехи, нам потребуется осциллограф, который будет действовать как быстрый вольтметр, регистрирующий на изменения напряжения во времени. Следующие ниже измерения выходного напряжения были выполнены с отсечкой постоянного тока 5 В. Это означает, что на графике показано только то, что не равно 5 В.

Благодаря этому, хорошо видны помехи амплитудой в несколько десятков милливольт.

Сначала проверим временную историю переменной составляющей на выходе. В случае преобразователя, это пилообразный сигнал до пикового значения 40 мВ и частотой 25 кГц. Это частота переключения катушки схемой управления нашего преобразователя. С другой стороны, выходной сигнал 7805 показывает лишь небольшой шум, который, вероятно, частично генерируется самим осциллографом.

Временная диаграмма переменнойХод переменной
Временная диаграмма переменной составляющей на выходе преобразователяХод переменной составляющей на выходе линейного стабилизатора

На практике колебания напряжения составляют 0,04 В, и они очень и очень быстрые (25 000 раз в секунду) — вряд ли какая-либо электронная схема будет чувствительна к таким изменениям.

Намного интереснее, чем ход времени, так называемый спектр сигнала. Эта тема достаточно сложная. В двух словах, это «распределение напряжения на определенные частоты». Такой график показывает, что преобразователь генерирует помехи с частотой, кратной частоте переключения, то есть 25 кГц. Об этом свидетельствуют «пики», видимые на графике.

Амплитудный спектр на выходеАмплитудный спектр на выходе линейного
Амплитудный спектр напряжения на выходе преобразователяАмплитудный спектр напряжения на выходе линейного стабилизатора

Если схема с питанием обрабатывает сигналы с частотой в несколько десятков килогерц, можно быть уверенным, что эти помехи до них дойдут. В свою очередь, в случае линейного стабилизатора, мы имеем дело с шумами и случайными помехами от соседних электронных устройств — здесь нет доминирующей частоты.

Вывод

В этой статье мы кратко представили характеристики и принцип действия импульсных преобразователей. Самое главное, что нужно помнить, это как подключить готовый модуль для питания им любой цепи, и то, что на выходе инвертора есть незначительные помехи. Даже если вы не совсем понимаете последнее, ничего страшного, просто запомните, что напряжение на выходе инвертора не совсем стабильно.

Использование импульсных преобразователей рекомендуется в первую очередь там, где мы имеем дело со схемой, которая потребляет большой ток и питается от батареек или аккумуляторов.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий