Микро-ликбез по электронике. Часть 4.

Принцип работы StepUp и StepDown преобразователей.

Рис 16.
Рассмотрим работу StepUp преобразователя (рис 16 a)). Он применяется для повышения напряжения. На выходе его напряжение всегда будет выше, чем на входе.
Подадим на него питание. В нормальном состоянии ключ разомкнут, ток течёт дроссель и через диод, на выходе будет напряжение = напряжению питания.
На рис 16 b) красным графиком представлено изменение напряжения в точке A, чёрным – на Vout. Первоначально ключ разомкнут. В момент времени t1 – замыкаем ключ, напряжение в A резко падает до нуля (дроссель получается напрямую подключенным к источнику питания). Дроссель начинает накапливать энергию. В это время на Vout напряжение постепенно падает (конденсатор отдаёт энергию в нагрузку и разряжается). В t2 – размыкаем ключ, на дросселе получаем всплеск напряжения (см. пик в t2), в этот момент через диод течёт ток, который заряжает конденсатор с напряжения u1 до u2 (вся запасённая дросселем энергия отдаётся конденсатору). Процесс замыканий-размыканий можно повторять, при этом, каждый раз запасённая при замыкании энергия дросселя будет передаваться конденсатору, и напряжение на нём будет расти (в идеале до сколь угодно большой величины). Для регулирования напряжения на выходе, изменяют длительность замыкания ключа и/или время между замыканиями (важно соотношение времён разомкнут/замкнут).
Таким образом, StepUp преобразователь позволяет сколь угодно сильно увеличивать напряжение. В идеале КПД преобразования = 100%, т.к. вся запасённая дросселем энергия переходит в конденсатор, затем в нагрузку. Реально КПД несколько ниже, из-за потерь энергии в диоде, ключе и дросселе.

Рассмотрим работу StepDown преобразователя (рис 17 a)).

Рис 17.
Он применяется для понижения напряжения. Подадим на него питание. В нормальном состоянии ключ разомкнут. Ток не течёт, на выходе (конденсаторе) 0В. (см. рис 17 b)). Черный график – напряжение в точке B, красный – в C. В момент времени t1 замкнём ключ. Начинает течь и расти ток через дроссель, это заряжает конденсатор (в точке С напряжение растёт). При этом дроссель накапливает энергию (т.к. через него течёт ток). В момент t2 – размыкаем контакты. Дроссель пытается отдать всю накопленную энергию. Через диод начинает течь ток. Этот ток дополнительно подзаряжает конденсатор. Но напряжение в С продолжает падать, т.к. ток в нагрузку больше тока, который даёт дроссель. Для поддержания (регулирования) напряжения на выходе, изменяют длительность замыкания ключа и/или время между замыканиями.
Таким образом, StepDown преобразователь позволяет понижать напряжение. В идеале КПД преобразования = 100%, т.к. вся запасённая дросселем энергия переходит в конденсатор, затем в нагрузку. Реально КПД несколько ниже, из-за потерь энергии ключе, дросселе и диоде. Т.е. ток на выходе преобразователя может быть больше чем на входе.
В качестве ключей (в StepUp и StepDown) обычно применяют транзисторы, которые заставляют работать в ключевом режиме (или полностью открыт, или полностью закрыт). В мощных преобразователях применяют mosfet транзисторы (т.к. в открытом состоянии у них очень малое сопротивление, следовательно, небольшие потери).
Для регулирования выходного напряжения, при управлении ключами, часто применяют ШИМ (широтно-импульсную модуляцию). Её суть в том, что при постоянной частоте следования импульсов меняется их длительность, следовательно, изменяется соотношение времени замкнутого - разомкнутого состояния ключей, эта величина называется скважность импульсов. От неё зависит выходное напряжение.

Продолжение