Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Довольно большое количество промышленных электроприводов и технологических процессов для своего питания используют постоянный ток. Причем в таких случаях довольно часто необходимо изменять значение этого напряжения. Такие виды транспорта как метрополитен, троллейбусы, электрокары и другие виды транспорта получают питающее напряжения из сетей постоянного тока с неизменным напряжением. Но ведь многие из них нуждаются в изменении значения напряжения, подводимого к якорю электродвигателя. Классическими средствами получения необходимых значений являются резистивное регулирование и система генератор-двигатель, или система Леонардо. Но эти системы являются устаревшими, и встретить их можно довольно редко (особенно систему генератор-двигатель). Более современными и активно внедряемыми сейчас являются системы тиристорный преобразователь-двигатель, импульсный преобразователь двигатель. Рассмотрим каждую систему более подробно.

Преобразователь напряжения PN-(20-75)DC/24-2,0 исп.5

Паспорт на прибор
Сертификат соответствия

выход 24 В, 2 Ауличный IP56

Паспорт на прибор
Сертификат соответствия

Стать дистрибьютором

Предназначен для питания нагрузки постоянным стабилизированным напряжением 24 В при токе нагрузки до 1 А (2 А) от нестабилизированного источника питания постоянного тока с выходным напряжением от 20 до 75 В. Рекомендуется использовать совместно с резервированными источниками питания серий «Скат» и «Волна» с номинальными выходными напряжениями 24 В, 36 B, 48 В, 60 B.

Преобразователь обеспечивает

• питание нагрузки постоянным стабилизированным напряжением с номинальным значением 24 В и током 2,0 А
• плавную регулировку выходного напряжения в пределах от 24 до 28В
• работу в диапазоне входных напряжений от 20 до 75 В
• разделение по постоянному току входных и выходных цепей, что предотвращает подачу в нагрузку высокого входного напряжения при неисправности преобразователя
• электронную защиту выхода от перегрузки по току, в том числе от короткого замыкания (КЗ) нагрузки (с отключением питания нагрузки при продолжительном (более 30 с) КЗ нагрузки посредством самовосстанавливающегося предохранителя)
• ограничение выходного напряжения величиной не более 36В при неисправности преобразователя
• отключение питания преобразователя при обратной полярности подключения посредством плавкого предохранителя
• возможность световой индикации наличия выходного напряжения посредством внешнего светодиодного индикатора.

Технические характеристики

Примечания
* Заводская установка 24,0 — 24,4 В. Выходное напряжение может регулироваться плавно в диапазоне значений от 24 до 28 В.
** Ток, потребляемый преобразователем от входного источника питания, можно оценить по приближённой формуле:,

где U IN и I IN — соответственно входное напряжение и ток, потребляемый преобразователем;
P O — мощность нагрузки, Вт;
0,8 — минимальное значение кпд преобразователя.

выход 24 В, 2 Ауличный IP56

Код товара: 906

Предназначен для питания нагрузки постоянным стабилизированным напряжением 24 В при токе нагрузки до 1 А (2 А) от нестабилизированного источника питания постоянного тока с выходным напряжением от 20 до 75 В. Рекомендуется использовать совместно с резервированными источниками питания серий «Скат» и «Волна» с номинальными выходными напряжениями 24 В, 36 B, 48 В, 60 B.

Преобразователь обеспечивает

• питание нагрузки постоянным стабилизированным напряжением с номинальным значением 24 В и током 2,0 А
• плавную регулировку выходного напряжения в пределах от 24 до 28В
• работу в диапазоне входных напряжений от 20 до 75 В
• разделение по постоянному току входных и выходных цепей, что предотвращает подачу в нагрузку высокого входного напряжения при неисправности преобразователя
• электронную защиту выхода от перегрузки по току, в том числе от короткого замыкания (КЗ) нагрузки (с отключением питания нагрузки при продолжительном (более 30 с) КЗ нагрузки посредством самовосстанавливающегося предохранителя)
• ограничение выходного напряжения величиной не более 36В при неисправности преобразователя
• отключение питания преобразователя при обратной полярности подключения посредством плавкого предохранителя
• возможность световой индикации наличия выходного напряжения посредством внешнего светодиодного индикатора.

Технические характеристики

Примечания
* Заводская установка 24,0 — 24,4 В. Выходное напряжение может регулироваться плавно в диапазоне значений от 24 до 28 В.
** Ток, потребляемый преобразователем от входного источника питания, можно оценить по приближённой формуле:,

где U IN и I IN — соответственно входное напряжение и ток, потребляемый преобразователем;
P O — мощность нагрузки, Вт;
0,8 — минимальное значение кпд преобразователя.

Рассел МакМахон

Как уже отмечалось, название функции, которую вы описываете, называется «повышающий преобразователь». Их очень много, и многие из них соответствуют вашим требованиям.

Если эффективность является основным фактором, вы получите лучшие результаты, используя синхронный выпрямитель вместо выходного диода, который используется в противном случае. Синхронный выпрямитель использует внутренний полевой МОП-транзистор для включения при необходимости для подачи питания на выход. MOSFET имеет более низкое падение напряжения, чем это может быть достигнуто с помощью диода — даже диода Шоттки, который обычно используется в других случаях. Без синхронного выпрямителя вы можете рассчитывать на эффективность в диапазоне 70% — 80% при входе 3V3 и выходе 5V — может быть, в некоторых случаях больше при некоторых токах.

Невозможно с уверенностью порекомендовать подходящую деталь, пока вы не сообщите о требованиях к выходному току и, в идеале, каково ваше приложение, но в качестве руководства самая дешевая ИС преобразователя с синхронным выходным усилением в сток и доступная от Digikey in 1’s — это L6920DC ‘Sychronous Ступенчатый преобразователь выпрямителя ‘ производства ST.

Это имеет минимальный входной ток 550 мА. Он будет производить 300+ мА при 5 В и, вероятно, немного больше. Как видно, было бы сложно получить гораздо более простую схему:

При напряжении 3,3 В в этой микросхеме будет обеспечиваться эффективность около 90% для выходного тока от 1 мА до сотен мА.

Как показано, это дает фиксированный выход 3,3 В (здесь не полезно) или 5 В. Добавление двух резисторов позволяет вам «программировать» выходное напряжение на любое напряжение в диапазоне от 1,8 В до 5,5 В (при условии, что Vout> Vin. (В отличие от многих микросхем этого типа, одна версия допускает фиксированный выход 3,3 В или 5 В или выход переменного напряжения).

Как указано выше, зависит ли это от ваших потребностей, зависит от ваших требований к питанию Эта микросхема запустится при напряжении менее 1 Вольт. Не нужно в вашем случае, но приятно знать.

В этой части используется пакет TSSOP, который не подходит для начинающих, но в больших пакетах есть похожие части.

Хорошее место для поиска микросхем — каталог Digikey. В этом случае ищите, например,

повышающий преобразователь или

повышающий преобразователь 3v 5v

а затем «развернуть» и вернуть параметры, которые важны для вас. Синхронное выпрямление не является выбираемым параметром, но вы можете искать «синхронизация» при просмотре таблиц.

Техника безопасности

При сборке и использовании повышающих устройств вне зависимости от их разновидности необходимо соблюдать базовые положения правил техники безопасности. Главные из них:

• ни при каких условиях нельзя касаться незащищенными частями тела токоведущих элементов схем;
• запрещается даже кратковременное превышение максимальной нагрузки;
• устройства в обычном офисном исполнении нельзя эксплуатировать во влажных помещениях;
• оборудование следует защищать от попадания брызг воды.

Повышающий преобразователь напряжения: создание дополнительного напряжения с помощью внешних генераторов подкачки заряда

Автор описывает, как с помощью внешних генераторов подкачки заряда от
одноканального повышающего преобразователя, например, устройства TPS61087,
можно формировать два дополнительных
значения напряжения. Приведенные в этой
статье примеры дадут читателю представление о возможностях таких генераторов и позволят разрабатывать рентабельные системы
с использованием шин питания с требуемым
напряжением.

Рис. 1. Пример использования микросхемы TPS61087 для жидкокристаллического дисплея TFT с внешними генераторами подкачки заряда (VGH, VGL)

На рис. 1 представлена конфигурация, в которой внешний генератор подкачки положительного заряда обеспечивает уровень напряжения, превосходящий выходное напряжение вольтодобавочного преобразователя V_S,
равное 45 В, не более чем в 3 раза, до того,
как он настраивается на более низкое значение напряжения V_GH = 27 В, пригодное для
этого приложения. Регулирующий каскад генератора подкачки отрицательного заряда
в данном случае доводит выходное напряжение V_GL до –7 В при исходном напряжении,
которое создает повышающий преобразователь от 5 до 15 В (f_sw = 1,2 МГц).

Примеры генераторов
подкачки заряда

Генератор подкачки
положительного заряда

Схема работы драйвера генератора подкачки заряда показана на рис. 2, здесь представлен фрагмент схемы драйвера для типового
приложения. В режиме с удвоением генератор подкачки заряда будет создавать напряжение в 2×V_S. Рассмотрим пример режима
с увеличением напряжения в три раза.

Рис. 2. Внешний генератор подкачки положительного заряда — идеальный пример

Поясним, как работает генератор подкачки заряда в более простом для рассмотрения
стационарном режиме. Для начала предположим, что все компоненты являются идеальными, а продолжительность включения
вольтодобавочного преобразователя составляет 50%. Резистор R1 на рис. 2 имеет сопротивление 0 Ом и присутствует здесь лишь для
измерения тока, текущего на конденсаторы
C1 и C2.

Во включенном состоянии при V_SW = 0 В
навесной конденсатор C1 заряжается до напряжения V_S через диод D1. Одновременно
накопительный конденсатор C3 аналогичным
образом заряжает конденсатор C2 до 2×V_S
через диод D3. Диоды D2 и D4 закрыты. Так
как выходное напряжение V_CPP больше не подается, выходной конденсатор C4 должен выдавать требуемый нагрузочный ток в цепь
20 мА.

В выключенном состоянии напряжение
коммутационного узла повышается, и напряжение V_SW увеличивает энергию, накопленную в навесных конденсаторах C1 и C2, поднимая уровень до 2×V_S и 3×V_S в конденсаторах C3 и C4 соответственно (при V_SW = V_S).
Диод D2 становится прямосмещенным и позволяет току течь в конденсатор C3, который
заряжается до 2×V_S (после того, как напряжение на его выводах понизилось во время
включенного состояния). Таким же образом
начинает проводить ток диод D4, так что от
конденсатора C3 выходной конденсатор снова заряжается до 3×V_S, и одновременно подается требуемый выходной ток 20 мА в выходную цепь.

И, наконец, в выключенном состоянии индуктивность подает ток 80 мА на навесные
конденсаторы, а также 40 мА — на выходной
конденсатор вольтодобавочного преобразователя, разрядившегося на конденсатор C1
во время работы. Таким образом, ток от вольтодобавочного преобразователя в среднем равен утроенному выходному току генератора
подкачки положительного заряда, то есть
60 мА в данном примере.

Генератор подкачки
отрицательного заряда

Внешний генератор подкачки отрицательного заряда также работает с использованием
двух каскадов (генератор подкачки заряда и регулирование). Генератор обеспечивает отрицательное выходное напряжение –V_S (рис. 1),
а регулирующий каскад приводит выходное
напряжение V_GL к требуемому уровню. Принцип действия драйвера генератора подкачки
заряда демонстрируется на рис. 3.

Рис. 3. Внешний генератор подкачки отрицательного заряда — идеальный случай

Как работает генератор подкачки отрицательного заряда в стационарном режиме?
Предполагается, что все компоненты идеальные, продолжительность включения
вольтодобавочного преобразователя составляет 50%, а резистор R1 имеет сопротивление 0 Ом.

В выключенном состоянии сохраняется высокое напряжение коммутационного узла,
на уровне напряжения V_S, навесной конденсатор C6 заряжается через диод D6 до напряжения V_SW = V_S. Одновременно выходной
конденсатор C7 обеспечивает выходной нагрузочный ток 20 мА.

Во время пребывания во включенном состоянии V_SW = 0 В, поэтому потенциал ранее
положительного вывода навесного конденсатора C6 понижается до уровня заземления,
происходит сдвиг напряжения конденсатора
со смещением V_S. Таким образом, диод D7
оказывается прямосмещенным, что обеспечивает прохождение тока и питание выходной цепи.

Аналогично ситуации с генератором подкачки положительного заряда, средний ток
от вольтодобавочного преобразователя для
обеспечения уровня 20 мА при напряжении
V_CPN равен удвоенному выходному току генератора подкачки отрицательного заряда,
то есть 40 мА в приведенном примере.

Применение генератора подкачки
заряда в реальных условиях

Приведенные примеры (рис. 2, 3) рассматривались для идеальных компонентов и цикла продолжительности включения. В реальных условиях маловероятно, что продолжительность включения составит 50%. В этих
же условиях внешние компоненты всегда будут приводить к потерям, которые необходимо принимать в расчет, чтобы выбрать наилучшую возможную конфигурацию.

Влияние продолжительности
включения

В зависимости от входного напряжения
и необходимых пользователю выходных напряжений V_GL, V_GH и V_S продолжительность
включения будет больше или меньше 50%.
Поскольку конденсаторы не проводят постоянный ток, то средняя величина протекающего через них тока равна нулю по истечении каждого периода времени. Причем амплитуда тока, заряжающего и разряжающего
навесные конденсаторы, будет зависеть от
продолжительности времени включенного
(t_on) и выключенного (t_off) состояния. В случае, когда D = 50% (t_on = t_off ; рис. 2, 3), протекающие в обоих направлениях токи совпадают по величине и идеально разнесены по каждому циклу.

Навесные конденсаторы обеспечивают накопление заряда, так что при выборе слишком малой емкости возрастет импеданс (полное сопротивление) выводов V_SW и V_S, что
приводит к потере напряжения на выходах
генератора подкачки заряда. Обычно достаточно хорошим выбором для навесных и накопительных конденсаторов является емкость 470 нФ. Реактивное сопротивление
X_C = 1×(2π×f×C) навесных конденсаторов
должно быть как можно более низким, чтобы сократить потери.

Емкость выходного конденсатора от 470 нФ
до 1 мкФ — хороший начальный вариант для
большинства приложений, но ее величина
зависит, главным образом, от выходного тока, допустимой величины пульсирующего
компонента выходного напряжения или переходной характеристики нагрузки и может
быть увеличена. Для интенсивных рабочих
циклов рекомендуются выходные и накопительные конденсаторы большей емкости,
чтобы дополнительно уменьшить пульсирующий компонент. В то же время, поскольку каждый диод Шоттки должен быть в состоянии блокировать напряжение V_S, эти
диоды следует выбирать с обратным напряжением по постоянному току не менее V_S
и с номиналом по току выше, чем протекающий через них ток.

Характеристики тока

Реальные компоненты не имеют идеальных
характеристик. Токи заряда конденсаторов
в начальный момент времени могут достигать нескольких ампер. Резистор R1 (рис. 1),
помещаемый между коммутационным узлом вольтодобавочного преобразователя
и выводом навесного конденсатора, помогает уменьшить этот ток. Если используется
резистор с сопротивлением 1 Ом, то амплитуда тока достигает 250 мА (рис. 4a), тогда
как в идеальном случае ток должен составлять всего 40 мА.

Рис. 4. Зависимость тока навесного конденсатора при: а) сопротивлении R1 = 1 Ом; б) сопротивлении R1 = 100 Ом

Результаты моделирования на рис. 4б показывают наличие тока с импульсами прямоугольной формы, который должен при
обычных условиях течь к навесному конденсатору. Такую форму импульсов можно
получить с резистором сопротивлением
100 Ом. Однако потери из-за высокого сопротивления резистора не являются пренебрежимо критически малыми, так что необходимый уровень выходного напряжения
невозможно достичь из-за того, что конденсаторы уже заряжаются не до уровня напряжения V_S, а лишь до V_S –V_R1. Обычно сопротивления R1 = 10 Ом достаточно для того,
чтобы ограничить ток, не создавая слишком
больших потерь.

Регулирующий каскад

Регулирующий каскад с задаваемым выходным напряжением позволяет пользователю гибко подходить к выбору выходного напряжения для конкретного применения.

Мы уже рассматривали, как формируется
напряжение в генераторах подкачки положительного и отрицательного заряда. Следующий каскад (рис. 5— аналогично и для генератора подкачки отрицательного заряда) регулирует выходное напряжение V_GH и V_GL,
рассеивая избыток энергии на биполярном
транзисторе.

Рис. 5. Регулирующий каскад генератора подкачки
положительного заряда

Зенеровский диод приводит напряжение
к требуемому выходному значению, а биполярный транзистор используется для уменьшения потребления тока. Окончательно выходное напряжение на выводах V_GH и V_GL будет равно V_Z –V_be. На рис. 6 представлен
процесс регулирования выходного напряжения, измеряемого до и после каскада. Можно
заметить, что система превосходно регулируется, пока генерируемое на выводах V_CPP
и V_CPN напряжение остается выше выходного показателя, добавленного к падению напряжения на транзисторе. Можно создавать
и более высокую мощность при надлежащем
подборе номиналов компонентов, например,
увеличивая напряжение генераторов подкачки заряда за счет перехода от режима с утроением к режиму с увеличением напряжения
в четыре раза, а также выбирая компоненты
в зависимости от показателей тока и мощности. Максимально возможный выходной ток
зависит также от суммарного потребления
тока системой, которое не должно превышать
ограничения по току вольтодобавочного преобразователя.

Рис. 6. Характеристики регулирования выходного напряжения:
а) генератором подкачки отрицательного заряда; б) генератором подкачки положительного заряда

Для регулирования можно использовать
конфигурацию, представленную на рис. 5,
а также регулятор шунтирующего типа, например TL432.

Когда одной фазы недостаточно

В мощных преобразователях часто используется не один канал с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных каналов.

Как мы уже выяснили, любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается. Транзистор в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше ток, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к потерям энергии и нагреву. Чтобы минимизировать этот эффект и применяются несколько фаз — нагрузка распределяется между ними поровну.

Еще один интересный способ повысить эффективность: синхронный транзистор VT2 открыт примерно в семь-восемь раз дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать более продвинутую и дорогую модель с низким Rds.

Но это еще не все. Такие каналы не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в разных каналах происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.

На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, и амплитуда пульсаций становится значительно ниже, чем было бы у каждой фазы в отдельности.

Так что даже несколько десятков каналов в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.

Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.