Микросхема преобразователь напряжения: Как работают импульсные преобразователи напряжения (27 схем)

Как работают импульсные преобразователи напряжения (27 схем)

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие (рис. 1), повышающие (рис. 2) и инвертирующие (рис. 3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов:

1. источник питания,
2. ключевой коммутирующий элемент,
3. индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель),
4. блокировочный диод,
5. конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии.

Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки RH и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

 

 

Рис. 1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

 

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 2) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь так: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1.

Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака (инверсное, противоположное по знаку напряжению питания).

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

Для стабилизации выходного напряжения импульсных стабилизаторов любого типа могут быть использованы обычные «линейные» стабилизаторы, но они имеют низкий КПД, В этой связи гораздо логичнее для стабилизации выходного напряжения импульсных преобразователей использовать импульсные же стабилизаторы напряжения, тем более, что осуществить такую стабилизацию совсем несложно.

Импульсные стабилизаторы напряжения, в свою очередь, подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и на стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией. В первых из них изменяется длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования. Во вторых, напротив, изменяется частота управляющих импульсов при их неизменной длительности. Встречаются импульсные стабилизаторы и со смешанным регулированием.

Ниже будут рассмотрены радиолюбительские примеры эволюционного развития импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения.

Узлы и схемы импульсных преобразователей

Задающий генератор (рис. 4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 5, 6) на микросхеме КР1006ВИ1 работает на частоте 65 кГц. Выходные прямоугольные импульсы генератора через RC-цепоч-ки подаются на транзисторные ключевые элементы, включенные параллельно.

Катушка индуктивности L1 выполнена на ферритовом кольце с внешним диаметром 10 мм и магнитной проницаемостью 2000. Ее индуктивность равна 0,6 мГн. Коэффициент полезного действия преобразователя достигает 82%.

 

 

Рис. 4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения.

 

 

Рис. 5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В.

 

 

Рис. 6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В.

Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 5, 6) составляет 140 мА.

В выпрямителе преобразователя (рис. 5, 6) использовано параллельное соединение слаботочных высокочастотных диодов, включенных последовательно с выравнивающими резисторами R1 — R3.

Вся эта сборка может быть заменена одним современным диодом, рассчитанным на ток более 200 мА при частоте до 100 кГц и обратном напряжении не менее 30 В (например, КД204, КД226).

В качестве VT1 и VT2 возможно использование транзисторов типа КТ81х структуры п-р-п — КТ815, КТ817 (рис. 4.5) и р-п-р — КТ814, КТ816 (рис. 6) и другие.

Для повышения надежности работы преобразователя рекомендуется включить параллельно переходу эмиттер — коллектор транзистора диод типа КД204, КД226 таким образом, чтобы для постоянного тока он был закрыт.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

 

 

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

 

 

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА, Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Преобразователь напряжения на основе КР1006ВИ1

Преобразователь напряжения, выполненный на основе генератора импульсов на микросхеме DA1 КР1006ВИ1, усилителя на основе полевого транзистора VT1 и индуктивного накопителя энергии с выпрямителем и фильтром, показан на рис. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 В. Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

 

 

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

 

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 11) использует новое сочетание основных компонентов и включает в себя генератор четырехфазных импульсов, катушку индуктивности и два транзисторных ключа.

Управляющие импульсы формирует D-триггер (DD1.1). В течение первой фазы импульсов катушка индуктивности L1 запасается энергией через транзисторные ключи VT1 и VT2. В течение второй фазы ключ VT2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения.

Во время третьей фазы замыкаются оба ключа, в результате чего катушка индуктивности вновь накапливает энергию. При размыкании ключа VT1 во время заключительной фазы импульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания. При поступлении на вход импульсов с частотой 8 кГц схема обеспечивает выходные напряжения ±12 В. На временной диаграмме (рис. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения со стабильными 30В

Преобразователь напряжения (рис. 12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

 

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения с выходным стабилизированным напряжением 30 В.

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 по обычной схеме собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой около 40 кГц.

К выходу генератора подключен транзисторный ключ VT1, коммутирующий катушку индуктивности L1. Амплитуда импульсов при коммутации катушки зависит от качества ее изготовления.

Во всяком случае напряжение на ней достигает десятков вольт. Выходное напряжение выпрямляется диодом VD1. К выходу выпрямителя подключен П-образный RC-фильтр и стабилитрон VD2. Напряжение на выходе стабилизатора целиком определяется типом используемого стабилитрона. В качестве «высоковольтного» стабилитрона можно использовать цепочку стабилитронов, имеющих более низкое напряжение стабилизации.

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 13.

 

 

Рис. 13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией.

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

Аналоги транзисторов: ВС237В — КТ342А, КТ3102; ВС307В — КТ3107И, BF459—КТ940А.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения [4.1] показаны на рис. 14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА, второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А  2N4903 — КТ814.

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту потоку нагрузки, показан на рис. 15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА.

Рис. 15. Схема понижающего преобразователя напряжения.

При изменении сопротивления нагрузки на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%.

Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Двухполярный инвертор напряжения

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих операционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 16.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямляется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра СЗ и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения — регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

 

Рис. 16. Схема инвертора напряжения +15/-15 В.

Рабочая частота генерации — около 200 кГц под нагрузкой и до 500 кГц без нагрузки. Максимальный ток нагрузки — до 50 мА, КПД устройства — 80%.

Недостатком конструкции является относительно высокий уровень электромагнитных помех, впрочем, характерный и для других подобных схем.

В качестве L1 использован дроссель ДМ-0,2-200.

Инверторы на специализированных микросхемах

Наиболее удобно собирать высокоэффективные современные преобразователи напряжения, используя специально созданные для этих целей микросхемы.

Микросхема КР1156ЕУ5 (МС33063А, МС34063А фирмы Motorola) предназначена для работы в стабилизированных повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователях мощностью в несколько ватт.

На рис. 17 приведена схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, С4, накопительный дроссель L1, выпрямительный диод VD1, конденсатор С2, задающий частоту работы преобразователя, дроссель фильтра L2 для сглаживания пульсаций. Резистор R1 служит датчиком тока. Делитель напряжения R2, R3 определяет величину выходного напряжения.

Рис. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 170 мкГн намотан на трех склеенных кольцах К12x8x3 М4000НМ проводом ПЭШО 0,5. Обмотка состоит из 59 витков. Каждое кольцо перед намоткой следует разломить на две части.

В один из зазоров вводят общую прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм и склеивают пакет. Можно также применить кольца из феррита с магнитной проницаемостью свыше 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

Рис. 18. Схема понижающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

 

 

Рис. 4.19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 4.19) показана типовая схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5, Микросхема DA1 питается суммой входного и выходного напряжений, которая не должна превышать 40 В.

Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=5 S; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 100 и 40 мВ.

Для дросселя L1 инвертирующего преобразователя индуктивностью 88 мкГн были использованы два кольца К12x8x3 М4000НМ с зазором 0,25 мм. Обмотка состоит из 35 витков провода ПЭВ-2 0,7. Дроссель L2 во всех преобразователях стандартный — ДМ-2,4 индуктивностью 3 мкГч. Диод VD1 во всех схемах (рис. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5…5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 20. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ743.

По внутренней структуре микросхема не отличается от типового построения подобного рода преобразователей, выполненных на дискретных элементах, однако интегральное исполнение позволяет при минимальном количестве внешних элементов создавать высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 20) частота преобразования может достигать 200 кГц (что намного превышает частоту преобразования подавляющего большинства преобразователей, выполненных на дискретных элементах). При напряжении питания 5 В КПД составляет 80…82% при нестабильности выходного напряжения не более 3%.

Микросхема снабжена защитой от аварийных ситуаций: при снижении питающего напряжения на 10% ниже нормы, а также при перегреве корпуса (выше 195°С).

Для снижения на выходе преобразователя пульсаций с частотой преобразования (200 кГц) на выходах устройства установлены П-образные LC-фильтры. Перемычка J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 6) в стабилизированное 3,3 или 5,0 В предназначена специальная микросхема, разработанная фирмой MAXIM, — МАХ765. Отечественные аналоги — КР1446ПН1А и КР1446ПН1Б. Микросхема близкого назначения — МАХ757 — позволяет получить на выходе плавно регулируемое напряжение в пределах 2,7…5,5 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 21, содержит незначительное количество внешних (навесных) деталей.

Работает это устройство по традиционному принципу, описанному ранее. Рабочая частота генератора зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и изменяется в широких пределах — от десятков Гц до 100 кГц.

Величина выходного напряжения определяется тем, куда подключен вывод 2 микросхемы DA1: если он соединен с общей шиной (см. рис. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно. Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА. Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В. КПД преобразователя — до 80%.

Назначение вывода 1 (SHDN) — временное отключение преобразователя путем замыкания этого вывода на общий провод. Напряжение на выходе в этом случае понизится до значения, несколько меньшего, чем входное напряжение.

Светодиод HL1 предназначен для индикации аварийного снижения питающего напряжения (ниже 2 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 и ниже).

Дроссель L1 выполняют на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1. Он содержит 28 витков провода ПЭШО 0,5 мм и имеет индуктивность 22 мкГч. Перед намоткой ферритовое кольцо разламывают пополам, предварительно надпилив алмазным надфилем. Затем кольцо склеивают эпоксидным клеем, установив в один из образовавшихся зазоров текстолитовую прокладку толщиной 0,5 мм.

Индуктивность полученного таким образом дросселя зависит в большей степени от толщины зазора и в меньшей — от магнитной проницаемости сердечника и числа витков катушки. Если смириться с увеличением уровня электромагнитных помех, то можно использовать дроссель типа ДМ-2,4 индуктивностью 20 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

Источник питания для питания портативных и карманных приемников

Бестрансформаторный источник питания (рис. 23) предназначен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 В. Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9В и токе нагрузки 50 мА источник питания потребляет от сети около 8 мА.

Рис. 23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 — VD4 (рис. 4.23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время заряда конденсатора С2 определяется постоянной цепи R1, С2. В первый момент после включения устройства тиристор VS1 закрыт, но при некотором напряжении на конденсаторе С2 он откроется и подключит к этому конденсатору цепь L1, СЗ.

При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор СЗ большой емкости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на СЗ — увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и СЗ не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора СЗ через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора СЗ через нагрузку. Стабилитрон VD6 ограничивает напряжение на нагрузке.

Как только закрывается тиристор VS1 напряжение на конденсаторе С2 снова начинает увеличиваться. В некоторый момент тиристор снова открывается, и начинается новый цикл работы устройства. Частота открывания тиристора в несколько раз превышает частоту пульсации напряжения на конденсаторе С1 и зависит от номиналов элементов цепи R1, С2 и параметров тиристора VS1.

Конденсаторы С1 и С2 — типа МБМ на напряжение не ниже 250 В. Дроссель L1 имеет индуктивность 1…2 мГн и сопротивление не более 0,5 Ом. Он намотан на цилиндрическом каркасе диаметром 7 мм.

Ширина обмотки 10 мм, она состоит из пяти слоев провода ПЭВ-2 0,25 мм, намотанного плотно, виток к витку. В отверстие каркаса вставлен подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Схемы устройств для преобразования энергии

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 4.24 и 4.25. Они представляют собой понижающие преобразователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизировано.

Рис. 24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

 

Рис. 25. Вариант схемы понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

В качестве динисторов VD4 можно использовать отечественные низковольтные аналоги — КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 23), источники питания (рис. 24 и 25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

 

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 47 мкФ. В качестве источника питания используется батарея напряжением 9 В. Выходное напряжение на сопротивлении нагрузки 1 кОм достигает 50 В. КПД составляет 80% и возрастает до 95% при использовании в качестве ключевых элементов К1 и К2 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Импульсно-резонансный преобразователь

Импульсно-резонансные преобразователи конструкции к,т.н. Н. М. Музыченко, один из которых показан на рис. 4,27, в зависимости от формы тока в ключе VT1 делятся на три разновидности, в которых коммутирующие элементы замыкаются при нулевом токе, а размыкаются — при нулевом напряжении. На этапе переключения преобразователи работают как резонансные, а остальную, большую, часть периода — как импульсные.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

Отличительной чертой таких преобразователей является то, что их силовая часть выполнена в виде индуктивно-емкостного моста с коммутатором в одной диагонали и с коммутатором и источником питания в другом. Такие схемы (рис. 27) отличаются высокой эффективностью.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Повышающие импульсные преобразователи напряжения DC-DC

Казалось бы, всё просто как бублик: слепили из простых и доступных ингредиентов генератор, присовокупили к нему повышающий трансформатор, мостик, всякие там дела… Вот, собственно, и всё — дело сделано, сказка сказана, можно закрывать тему.

— Но мы же не можем прямо тут… У нас же есть какие-то морально-этические принципы…
— Так сегодня ж понедельник!
— Понедельник, конечно, но не до такой же степени. Поэтому говорить будем много, нудно и обстоя- тельно.

А обсудим мы на этой странице повышающие преобразователи напряжения, не омрачённые такими редко любимыми в радиолюбительских кругах моточными изделиями, как силовые (или импульсные) трансформаторы.

Начнём с устройств, выполненных на цепях диодно-конденсаторных умножителей напряжения.

Рис.1

Простой преобразователь напряжения на одной К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме, приведённой на Рис.1. Преобразователь содержит задающий генератор, реализованный на первых двух инверторах КМОП микросхемы DD1, и буферного выходного каскада, предназначенного для увеличения выходного тока преобразователя и выполненного на включённых параллельно оставшихся элементов ИМС.
Диоды VD1, VD2, а так же конденсаторы С2, С3 образуют цепь удвоения напряжения.
При указанных на схеме номиналах элементов — генератор импульсов, работает на частоте 10 кГц. При напряжении питания 10В — выходное напряжение составляет 17В при токе нагрузки 5мА, 16В при токе 10мА, 14,5В при токе 15мА.
Значение КПД и величину выходного напряжения преобразователя можно увеличить за счёт использования в выпрямителе-умножителе напряжения германиевых диодов, либо диодов Шоттки.
А для получения отрицательного выходного напряжения — элементы удвоителя напряжения следует включить в соответствии с правой частью рисунка Рис.1.

Для увеличения мощности повышающих преобразователей между генератором и умножителем вводятся дополнительные биполярные или полевые транзисторы с максимальным допустимым током, превышающим ток нагрузки.

Рис.2

Устройство, представленное на Рис.2, образуют задающий генератор, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2, буферные ступени DD1.3, DD1.4, усилители тока VT1, VT2 и выпрямитель-удвоитель напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С2, СЗ.
При питании преобразователя от источника постоянного тока напряжением 12 В его выходное напряжение при токе нагрузки 30 мА будет около 22 В (напряжение пульсаций — 18 мВ).
При токе нагрузки 100 мА выходное напряжение уменьшается до 21 В, а при 250 мА — до 19,5 В.
Без нагрузки преобразователь потребляет от источника питания ток не более 2 мА.
Транзисторы VT1 и VT2 преобразователя могут быть любыми из указанных на схеме серий, а также ГТ402В или ГТ402Г, ГТ404В или ГТ404Г. С германиевыми транзисторами выходное напряжение преобразователя будет больше примерно на 1 В.

Для получения больших выходных напряжений применяются схемы преобразователей напряжения с многокаскадными умножителями.

Рис.3

На Рис.3 приведена схема экономичного преобразователя напряжения для питания варикапов, опубликованная в журнале Радио №10, 1984, И. Нечаевым.
«Преобразователь не содержит намоточных деталей, экономичен и прост в налаживании. Устройство состоит из генератора прямоугольных импульсов на микросхеме DD1, умножителя напряжения на диодах VD1-VD6 и конденсаторах СЗ-С8, параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах VT1-VT3.
В качестве стабилитронов используются эмиттерные переходы транзисторов. Режим стабилизации наступает при токе 5…10мкА.
Помимо указанных на схеме, в преобразователе можно использовать микросхемы К176ЛЕ5 и К176ЛА9, транзисторы КТ315, КТ316 с любым буквенным индексом, диоды Д9А, Д9В, Д9Ж. Конденсаторы С1-С7 — КЛС или KM, C8 — К50-6 или К50-3, резисторы МЛТ или ВС.
Налаживание преобразователя сводится к подбору транзисторов VT1 — VT3 с требуемым напряжением стабилизации.
При изменении напряжения питания приёмника от 6,5 до 9В потребляемый преобразователем ток увеличивается с 0,8 до 2,2мА, а выходное напряжение — не более чем на 8…10мВ.
При необходимости выходное напряжение преобразователя можно повысить, увеличив число звеньев умножителя напряжения и число транзисторов в стабилизаторе».

В последнее время для преобразования напряжения всё чаще применяют импульсные преобразователи с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.
Как это работает?

Рис.4

На рисунке Рис.4 (слева) изображён импульсный повышающий преобразователь напряжения, способный повышать выходное напряжение от напряжения источника питания до величины в десятки раз превышающей его.

При замыкании ключа, выполненного на транзисторе Т, через цепь: источник питания — индуктивность — замкнутый ключ начинает протекать ток. При этом, в связи с явлением самоиндукции, ток через индуктивность не может измениться моментально, так как в это время идёт постепенный запас энергии (ЭДС) в магнитном поле катушки.

При размыкании ключа — ток начинает течь по другому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Поскольку источник питания и катушка в этой цепи соединены последовательно, то их ЭДС складываются. Таким образом происходит повышение напряжения.

Величина выходного напряжения подобных преобразователей малопредсказуема и зависит от нескольких факторов: сопротивления нагрузки, добротности катушки, и энергии, которая успела запастись в ней за время замыкания ключа. Именно поэтому напряжение в цепи без нагрузки может достигать значительных величин, порой приводящих к пробою ключевого транзистора.

Так как же регулировать напряжение на выходе таких преобразователей?
Очень просто — запасать в дросселе ровно столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы создать необходимое напряжение на нагрузке. Производится это посредством регулировки длительности импульсов открывающих транзистор (временем в течении которого открыт транзистор).

Уровень выходного напряжения преобразователя описывается формулой U_вых = K×U_вх/(1-D), где
D — это величина, обратная скважности, и равная отношению периода времени, когда ключ открыт, к общему периоду импульсного сигнала, управляющего ключевым транзистором, а
К — коэффициент, прямо пропорциональный сопротивлению нагрузки и обратно пропорциональный сопротивлению открытого ключа, а также сопротивлению потерь катушки индуктивности.
У данного типа преобразователей полярность выходного напряжения, совпадает с полярностью входного.

На рисунке Рис.4 (справа) приведена упрощённая схема инвертирующего преобразователя напряжения, имеющего полезное свойство — работать как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения.
Полярность его выходного напряжения противоположна полярности входного.

Так же как и в предыдущем случае, во время замыкания ключа Т происходит процесс накопления энергии катушкой индуктивности. Диод Д препятствует попаданию напряжению от источника питания в нагрузку.
Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает перетекать в нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции, направлена таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т. е. на верхнем конце обмотки катушки формируется отрицательный потенциал, на противоположном конце — положительный.

Уровень выходного напряжения равен: U_вых = K×U_вх×D/(1-D).

С теорией завязываем, резко переходим к схемам электрическим принципиальным повышающих преобразователей напряжения с индуктивными накопителями на борту.

Рис.5

На Рис.5 приведена очень простая и красивая схема преобразователя напряжения 1,5 в 15 вольт, содержащая всего 2 транзистора, выполняющих как функцию генератора сигнала, управляющего ключевым транзистором, так и самого ключевого транзистора.
Вот что пишет автор конструкции, приведённой в зарубежном издании.

«В качестве источника используется элемент питания напряжением 1,5 В, а на выходе схемы получается напряжение 15 В. Схема ещё хороша тем, что очень проста для повторения и не имеет дефицитных деталей.
Рассмотрим принцип работы. Итак, при замыкании тумблера SA1 на резисторе R1 возникает падение напряжения. Как следствие, через базу транзистора VT1 потечёт ток и оба транзистора (VT1, VT2) будут находится в открытом состоянии. В начальный момент времени, на коллекторе VT2 будет практически нулевое напряжение и через него и катушку L1 потечет нарастающий ток. Этот ток будет непрерывно увеличиваться пока транзистор VT2 не перейдет в режим насыщения. Следствием это будет увеличение напряжения на коллекторе транзистора VT2, что неизменно приведет к возрастанию напряжения на резисторе R2. В результате, транзистор VT1 закроется, после чего закроется и второй транзистор VT2.
После того, как ток прекратит движение через катушку L1, на коллекторе транзистора VT2 образуется большое положительного напряжения, которое двигаясь через диод Шоттки VD1, будет заряжать конденсатор C1. Стабилитрон VD2 в схеме преобразователя напряжения играет роль ограничителя зарядного напряжения на конденсаторе C1 и поддерживает его на уровне 15 В.
После того, как магнитное поле катушки L1 исчезает, напряжение на транзистора VT2 падает до уровня источника питания, т. е. до 1,5 Вольт. После чего оба транзистора переходят в открытое состояние, а через катушку L1 снова потечет нарастающий ток.
Частота работы устройства около 10 кГц. При исправных деталях и правильном монтаже, простой преобразователь напряжения начинает работать сразу. Допускается замена деталей очень близких по характеристикам».

Много разнообразных преобразователей напряжения реализуется на базе интегрального таймера NE555.

Рис.6

Схема одного из вариантов такого преобразователя приведена на Рис.6. Для получения высоковольтных импульсов он использует накопительный дроссель.
«На таймере DA1 собран генератор импульсов с частотой повторения около 40 кГц (она определяется сопротивлением резисторов R1, R2 и емкостью конденсатора С1). Эти импульсы поступают на транзистор VT1, работающий в режиме переключения. Когда он открыт, в катушке индуктивности L1 накапливается энергия за счет протекающего через VTI тока. Когда транзистор закрывается, на катушке L1 возникает импульс напряжения, амплитуда которого в несколько раз превышает напряжение питания (в авторской конструкции она была около 80 В). Эти импульсы напряжения выпрямляются диодом VD1, а выпрямленное напряжение фильтруется, а затем стабилизируется стабилитроном VD2.
Транзистор VT1 желательно подобрать из числа предназначенных для использования в переключающих схемах. Он, в частности, должен иметь высокое допустимое напряжение коллектор-эмиттер (не ниже 100 В). Высокое обратное допустимое напряжение должен иметь и диод VD1.
Стабилитрон VD2 — малой мощности на требуемое выходное напряжение (в авторской конструкции — на 30 В). Таймер DA1 имеет аналог отечественного производства — КР1006ВИ1. Подробной информации о катушке индуктивности в первоисточнике нет. Отмечается лишь, что она выполнена на незамкнутом броневом магнитопроводе из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью медным проводом диаметром 0,1 мм.
При налаживании конструкции может возникнуть необходимость подобрать резистор R3 по наибольшему выпрямленному напряжению».

Рис.7

«Ещё одна схема очень простого преобразователя постоянного напряжения с минимумом элементов, обеспечивающего несколько миллиампер тока напряжением 400…425В при потребляемом токе 80…90 мА от источника 9 В, приведена на Рис.7.
На таймере NE555 выполнен мультивибратор на частоту 14 кГц. КПД устройства сильно зависит от добротности катушки индуктивностью 1 мГн.
Дроссель имеет индуктивность 1000мкГн. Толщина провода не столь важна, поскольку выходной ток схемы ничтожный. Такое устройство может быть пригодно для тех приборов, где нужно получить повышенное напряжение, но размеры ограничены».

Достаточно часто приходится видеть устройства преобразователей на NE555 со встроенной схемой стабилизации выходного напряжения. Однако, кто интересуется, тот знает, что импульсные преобразователи со стабилизацией гораздо лучше работают на недорогих микросхемах серии UC384x, которые представляют из себя широтно-импульсные контроллеры и специально спроектированы для работы в преобразователях постоянного напряжения. Схема такого устройства приведена на Рис.8.

Рис.8

L1 намотана на кольце из порошкового железа d=24мм и содержит 24 витка провода диаметром 1мм. Выходная частота работы микросхемы при указанных номиналах элементов работы — 75-80 кГц.

Устройство было изготовлено и довольно подробно протестировано в сравнении с аналогичным преобразователем на микросхеме NE555 уважаемым Александром Сорокиным на странице форума https://www.drive2.ru/c/470856784697885156/.
Вот что пишет автор:

«Стабилизация выходного напряжения на микросхеме UC3845 работает прекрасно во всем диапазоне нагрузок. Напряжение холостого хода в пределах нормы (19.2 вольта для ноутбука), при 10Вт на выходе напряжение 18,94в, при 85Вт 18,8в т.е. просадка всего 0,1в и это прекрасно».

Ну и конечно не следует обходить вниманием специализированные микросхемы, представляющие собой практически готовые повышающие DC-DC преобразователи. Примером такой ИМС является TL499A (Рис.9).

Рис.9

С помощью этого импульсного источника питания можно получить напряжение от 1,5 до 15V при выходном токе до 50мА, для питания портативной аппаратуры от источника напряжением ЗV (два элемента «АА» или один литиевый элемент).
В основе схемы DC/DC конвертор на микросхеме TL499A. У микросхемы есть два входа, в данном случае используется только один — вывод 3, для подачи входного напряжения с целью его повышения.
Кстати, это напряжение не обязательно должно быть ЗV, может быть и 5V, а может быть и 1,5V (при работе от одного гальванического элемента), потому что минимальное входное напряжение микросхемы 1,1V, а максимальное 10V. При этом выходное напряжение поддерживается стабильным.
Установка и стабилизация выходного напряжения происходит при помощи компаратора (вывод 2), наблюдающего за выходным напряжением, которое поступает на него через делитель на резисторах R2 и R3. Подстроечным резистором R2 выставляется уровень выходного напряжения в диапазоне от 1,5 до 15V.

 

Маломощные бестранформаторные преобразователи напряжения на конденсаторах (18 схем)

Здесь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения, как правило, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умножителя напряжения.

Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а также получить на выходе преобразователя напряжение другого знака. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик — обычно единицы, реже десятки мА.

Задающий генератор

Задающий генератор бестрансформаторных может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1) выполнен на основе симметричного мультивибратора.

В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы — маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.

 

 

Рис. 1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 — задающий генератор; 2 — типовой блок усилителя.

Бестрансформаторный преобразователь напряжения

Бестрансформаторный преобразователь напряжения состоит из двух типовых элементов (рис. 2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряжения (рис. 2).

Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное напряжение 22В при токе нагрузки до 100 мА (параметры элементов: R1=R4=390 Ом. R2- R3=5,6 кОм, C1=C2=0,47 мкФ). В блоке 1 использованы транзисторы КТ603А — б; в блоке 2 — ГТ402В(Г) и ГТ404В(Г).

 

Рис. 2. Схема бестрансформаторного преобразователя с удвоением напряжения.

Рис. 3. Схемы преобразователей напряжения на основе типового блока.

Преобразователь напряжения построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1), можно применить для получения выходных напряжений разчой полярности так, как это показано на рис. 3.

Для первого варианта на выходе формируются напряжения +10 В и -10 В; для второго — +20 В и -10 В при питании устройства от источника напряжением 12В.

Схема преобразователя для питания тиратронов 90В

Для питания тиратронов напряжением примерно 90 В применена схема преобразователя напряжения по рис. 4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=-1 кОм, R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ.

Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем.

Инвертор полярности напряжения из (+) в (-)

Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1). На выходе устройства (рис. 5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания.

Рис. 5. Схема инвертора напряжения.

По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.

Преобразователь (удвоитель) напряжения

Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 — VD4).

Рис. 6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности.

Блок 1: R1 =R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; C1=C2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.

Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12В (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 В; при 50 Ом — до 10 В; а при 10 Ом — до 7 В.

Двуполярный преобразователь со средней точкой

Преобразователь напряжения (рис. 7) позволяет получить на выходе два разнополярных напряжения с общей средней точкой. Такие напряжения часто используют для питания операционных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его величины изменяются одновременно.

Рис. 7. Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений.

Транзистор VT1 — КТ315, диоды VD1 и VD2—Д226.

Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Выходное сопротивление удвоителя — 10 Ом. В режиме холостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличении тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 В.

Преобразователи-инверторы с задающим генератором на КМОП-элементах

Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 8) выполнен на двух КМОП-элементах, К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное напряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов — при низковольтном питании) меньше входного.

Рис. 8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах.

Похожая схема преобразователя изображена на следующем рисунке (рис. 9). Преобразователь содержит задающий генератор на КМОП-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов.

На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: +15 б при токе нагрузки 13… 15 мА и -15 В при токе нагрузки 5 мА.

Рис. 9. Схема преобразователя напряжения для формирования разнополярных напряжений с задающим генератором на КМОП-элементах.

На рис. 10 показана схема выходного узла бестрансформаторного преобразователя напряжения.

Рис. 10. Схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения.

Этот узел фактически является усилителем мощности. Для управления им можно использовать генератор импульсов, работающий на частоте 10 кГц.

Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощности потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближается к 18 В (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротивление — около 10 Ом.

При работе узла от задающего генератора на КМОП-элементах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ограничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор сопротивлением в несколько кОм.

Преобразователь напряжения для управления варикапами

Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах. Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 б, и такая схема показана на рис. 11.

На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 — VD4 и конденсаторы С2 — С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 — параметрический стабилизатор напряжения.

Рис. 11. Схема преобразователя напряжения для варикапов.

Преобразователь напряжения на КМОП микросхеме

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения на КМОП микросхеме.

Простой преобразователь напряжения на одной лишь КМОП-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис.12.

Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 12):

Uпит, В	Івых. мА	Uвых, В
10	5	17
10	10	16
10	15	14,5
15	5	27,5
15	10	26,5
15	15	25,5

Двуполярный преобразователь

Рис. 13. Схема выходного каскада формирователя двухполярного напряжения.

Для преобразования напряжения одного уровня в двухполярное выходное напряжение может быть использован преобразователь с выходным каскадом по схеме на рис. 13.

При входном напряжении преобразователя 5В на выходе получаются напряжения +8В и -8В при токе нагрузки 30 мА. КПД преобразователя составил 75%. Значение КПД и величину выходного напряжения можно увеличить за счет использования в выпрямителе-умножителе напряжения диодов Шотки. При увеличении напряжения питания до 9 В выходные напряжения возрастают до 15 В.

Приблизительный аналог транзистора 2N5447 — КТ345Б; 2N5449 — КТ340Б. В схеме можно использовать и более распространенные элементы, например, транзисторы типа КТ315, КТ361.

Схема преобразователя-инвертора на микросхеме КР1006ВИ1

Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть использованы самые разнообразные генераторы сигналов прямоугольной формы.

Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 14) . Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без каскадов дополнительного усиления.

Генератор на микросхеме DA1 (КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель напряжения.

К выходу умножителя напряжения подключен резистивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1.

Параметры этого делителя подобраны таким образом, что, если выходное напряжение по абсолютной величине превысит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений резисторов R3 и R4.

Рис. 14. Схема преобразователя-инвертора напряжения с задающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1.

Характеристики преобразователя — инвертора напряжения (рис 14) приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 14).

Uпит, В	Івых, мА	Iпотр, мА	КПД, %
6	3,5	13	27
7	6	22	28
8	11	31	35
10	18	50	36
12	28	70	40

Умощненный преобразователь-инвертор на микросхеме КР1006ВИ1

На следующем рисунке показана еще одна схема преобразователя напряжения на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 15). Рабочая частота задающего генератора 8 кГц.

На его выходе включен транзисторный усилитель и выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. При напряжении источника питания 12 б на выходе преобразователя получается 20 В. Потери преобразователя обусловлены падением напряжения на диодах выпрямителя-удвоителя напряжения.

Рис. 15. Схема преобразователя напряжения с микросхемой КР1006ВИ1 и усилителем мощности.

Инвертор полярности напряжения на микросхеме КР1006ВИ1

На основе этой же микросхемы (рис. 16) может быть создан инвертор напряжения. Рабочая частота преобразования — 18 кГц, скважность импульсов — 1,2.

Рис. 16. Схема формирователя напряжения отрицательной полярности.

Преобразователь напряжения-инвертор на основе ТТЛ-микросхем

Как и для других подобных устройств, выходное напряжение преобразователя существенно зависит от тока нагрузки.

ТТЛ и КМОП-микросхемы могут быть использованы для выпрямления тока. Развивая тему, автор этой идеи Д. Катберт предложил бестрансформаторный преобразователь напряжения-инвертор на основе ТТЛ-микросхем (рис. 7).

 

Рис. 17. Схема инвертора напряжения на основе двух микросхем.

Устройство содержит две микросхемы: DD1 и DD2. Первая из них работает в качестве генератора прямоугольных импульсов с частотой 7 кГц (элементы DD1.1 и DD1.2), к выходу которого подключен инвертор DD1.3 — DD1.6.

Вторая микросхема (DD2) включена необычным образом (см. схему): она выполняет функцию диодов. Все ее элементы-инверторы для увеличения нагрузочной способности преобразователя включены параллельно.

В результате такого включения на выходе устройства получается инвертированное напряжение -U, примерно равное (по абсолютной величине) напряжению питания. Напряжение питания устройства с КМОП-микросхемой 74НС04 может быть от 2 до 7 В. Примерный отечественный аналог — ТТЛ-микросхема типа К555ЛН1 (работает в более узком диапазоне питающих напряжений) или КМОП-микросхема КР1564ЛН1.

Максимальный выходной ток преобразователя достигает 10 мА. При отключенной нагрузке устройство практически не потребляет ток.

Преобразователь напряжения на микросхеме К561ЛА7

В развитие рассмотренной выше идеи использования защитных диодов КМОП-микросхем, имеющихся на входах и выходах КМОП-элементов, рассмотрим работу преобразователя напряжения, выполненного на двух микросхемах DD1 и DD2 типа К561ЛА7 (рис. 18).

На первой из них собран генератор, работающий на частоте 60 кГц. Вторая микросхема выполняет функцию мостового высокочастотного выпрямителя.

Рис. 18. Схема точного преобразователя полярности на двух микросхемах К561ЛА7.

В процессе работы преобразователя на выходе формируется напряжение отрицательной полярности, с большой точностью при высокоомной нагрузке повторяющее напряжение питания во всем диапазоне паспортных значений питающих напряжений (от 3 до 15 В).

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Микросхемы импульсных преобразователей ON Semi с широким диапазоном входных напряжений

Для бортовых аккумуляторных систем питания характерны броски напряжения при включении и выключении индуктивных нагрузок (стартер, электроприводы, вентилятор, кондиционер). Преобразователи напряжения, используемые в бортовых вторичных источниках питания, должны обеспечивать высокий уровень допустимого входного напряжения для устойчивости и надежности цепей вторичного электропитания.

Характерной особенностью приложений автомобильного сектора является также расширенный температурный рабочий режим –40…125°С. Специально для этого сектора разработаны преобразователи ON Semi, имеющие префикс NCV.

В качестве базового режима в преобразователях напряжения данного класса в основном используется режим понижения напряжения. Однако может быть востребован и комбинированный режим с повышением и понижением входного напряжения или с инверсией полярности входного напряжения.

В таблице 1 приведены характеристики микросхем импульсных преобразователей напряжения, имеющие широкий диапазон входных напряжений ON Semi (данные на конец 2009 г.).

Таблица 1. Основные параметры импульсных преобразователей напряжения с широким входным напряжением до 40 В

Тип	Iвых, A	Частота, кГц, способ упр.	Описание	Vвых, В	Корпуса
MC34063A, MC33063A	1,5	До 100	Понижающий/повышающий/инвертирующий преобразователь напряжения	1,25…40	SOIC-8, PDIP-8 DFN8
NCP3063, NCP3063B, NCV3063		150
NCP3163, NCV3163	3,4	50…300			DFN18, SOIC-16W
MC34163, MC33163		50			SO-16WB, PDIP-16
MC34166, MC33166	3	72	Понижающий преобразователь напряжения	1,5…40	TO-220, D2PAK
MC34167, MC33167	5			5,0…40
LM2574, NCV2574	0,5	52		3,3; 5; 12; 15; Adj.	SO-16 WB, PDIP-8
LM2575, CV2575	1		Понижающий/повышающий преобразователь напряжения		TO-220, D2PAK
LM2576	3		Понижающий преобразователь напряжения
LM2594	0,5	150		Adj. 1,23…3	SOIC-8, PDIP-8
LM2595	1				TO-220, D2PAK
LM2596	3
Преобразователи нового поколения с архитектурой управления V2
NCP1546, NCP1547	1,5	170 V2	Понижающий преобразователь напряжения	Adj.	SOIC-8, DFN18
		340 V2			SOIC-8, DFN18 SOIC-8W
NCV8842, NCV8843		170 V2	Понижающий преобразователь напряжения с синхронным режимом
		340 V2
CS51411, NCV51411		260 V2			SOIC-8, DFN18
CS51412			Понижающий преобразователь напряжения c внешним смещением
CS51413		520 V2	Понижающий преобразователь напряжения с синхронным режимом
CS51414			Понижающий преобразователь напряжения c внешним смещением

Все эти линейки преобразователей имеют встроенный мощный выходной ключ (составной биполярный транзистор) и требуют минимальное число дополнительных компонентов. Основными параметрами являются диапазон выходного напряжения и выходной ток, а также диапазон выходных токов.

В представленных импульсных преобразователях напряжения используются различные типы методов регулирования напряжения, разные частоты преобразования, эффективность преобразования.

Широкая номенклатура микросхем с диапазоном выходных токов 0,5…5 А обеспечивает выбор требуемого преобразователя, соответствующего заданному уровню выходных токов и напряжений и работающего в коммерческом или расширенном температурных диапазонах.

Фирма ON Semi использует различные методы индексации микросхем, отличающихся температурным диапазоном. В ранних разработках для указания температурного диапазона использовалась дополнительная цифра в номере микросхемы (3 или 4). В других случаях для ИС автомобильного сектора с широким температурным диапазоном — префикс NCV. Например, микросхемы МС3416х отличаются от МС3316х только температурным диапазоном.

В номенклатуре преобразователей напряжений ON Semi можно выделить несколько линеек микросхем, которые имеют одинаковые схемы и цоколевки, но отличаются выходным током, частотой преобразования или температурным диапазоном:

– MC34166, MC33166, MC34163, MC33163;

– NCP3063, NCP3163, NCV3163;

– MC34167, MC33167;

– LM2574, LM2575, LM2576;

– LM2594, LM2595, LM2596;

– NCP1546, NCP1547, NCV8842 ,NCV8843;

– CS51411, CS51412, CS51413, CS51414.

По большей части, их структуры одинаковы или очень похожи. Некоторые типы являются улучшенными модификациями предыдущей серии и полностью совместимы с ними по цоколевке, что позволяет рекомендовать их использование вместо устаревшего аналога.

Рассмотрим некоторые особенности микросхем этих серий, знание которых позволит сделать правильный выбор преобразователя напряжения. Иерархия рассмотрения линеек преобразователей учитывает эволюцию архитектуры и развитие модификации.

Линейка преобразователей напряжения MC34063, MC33063, NCV33063A

Это базовая схема преобразователя, разработанная ON Semi довольно давно и используемая по сей день (см. рис. 1). Достоинство преобразователя — очень простая и дешевая микросхема. Для многих приложений эта схема обеспечивает удовлетворительные параметры.

Рис. 1. Структура микросхем преобразователей напряжения MC34063A, MC33063A, NCV33063A

Частота собственных колебаний генератора задается емкостью конденсатора Timing Capacitor, частота вынужденных колебаний генератора выше и зависит от максимального тока ключа, устанавливаемого резистором ограничения тока. Поскольку скорость нарастания тока в индуктивности зависит от разности входного и выходного напряжений, частота преобразования увеличивается с ростом входного напряжения. Когда напряжение на выходе обратной связи становится равным опорному напряжению, компаратор через логический элемент и триггер запрещает управление выходным ключом на один или несколько периодов частоты генератора. Таким образом, при управлении стабилизатор работает в режиме генерации пакетов импульсов. КПД преобразователя не превышает 70%. Основные потери происходят за счет падения напряжения на составном транзисторе и на ограничивающем ток резисторе.

Основной недостаток структуры — отсутствие защиты от перегрева и ограничения тока в цикле регулирования напряжения. Рабочий температурный диапазон микросхем MC33063A и NCV33063A составляет −40…125°С, а у МС34063А — 0…70°С.

Серия преобразователей NCP3063, NCV3063

Микросхема NCP3063, обновленная версия МС34063, имеет более совершенную схему ограничения максимального тока ключа, работающего только в переходных и аварийных режимах, и дополнена температурной защитой (см. рис. 2).

Рис. 2. Структура преобразователя серии NCP3063, NCP3063B, NCV3063

Схема температурной защиты принудительно переводит мощные выходные каскады в выключенное состояние при превышении температуры кристалла сверх допустимой, что обеспечивает повышение надежности преобразователя. Частота преобразования повышена до 150 кГц, что позволяет увеличить его эффективность. Серия полностью совместима с MC34063A, MC33063A, NCV33063A по цоколевке корпусов и рекомендуется в качестве замены.

Рабочий температурный диапазон микросхем NCP3063 — 0…70°С, а у NCP3063B, NCV3063 он составляет −40…125°С.

Преобразователи MC34166, MC34167, MC33166, MC33167

Мощные преобразователи напряжений серии МС34166, МС34167, МС33166, МС33167 имеют одинаковую структурную схему (см. рис. 3) и обеспечивают выходной ток 3…5 А. Преобразователи работают на фиксированной частоте 72 кГц. Диапазон входных напряжений: 7,5…40 В.

Микросхемы серии отличаются рабочими температурными диапазонами: у MC34167, МС34166 — 0…70°С, а у MC33167, МС33166 он составляет −40…85°С. Уровень выходного тока у МС34166, МС33166 — 3 А, а у MC34167, MC33167 — 5 А.

Схема ограничения тока действует в каждом цикле, реализована защита от перенапряжения и защита от перегрева кристалла. Особенность микросхем — низкое потребление в режиме stand-by, всего 36 мкА. Микросхемы поставляются в корпусах ТО-220 и DPAK.

Рис. 3. Структурная схема MC34167, MC33167

Серия микросхем MC34163, MC33163, NCP3163, NCV3163

Преобразователи данной серии обеспечивают повышенный выходной ток 3,4 А, а также имеют дополнительные функции, улучшающие надежность. Одной из таких функций является наличие сигнала LVI индикации низкого напряжения на входе, который предназначен для подключения непосредственно к микроконтроллеру.

Версии MC34163, MC33163 были разработаны ранее (см. рис. 4). Микросхемы NCP3163, NCV3163 (см. рис. 5) являются улучшенной модификацией MC34163, MC33163 и полностью совместимы по выводам с MC34163, MC33163. Рабочий температурный диапазон микросхемы МС34163 — 0…70°С; у МС33163 он составляет −40…125°С.

Рис. 4. Структура MC34163, MC33163

Рис. 5. Структура NCP3163, NCV3163

Модифицированные микросхемы NCP3163, NCV3163 имеют дополнительные цепи защиты входов и выходов, а также улучшенную схему защиты от перегрева и превышения порогового значения тока. Рабочий температурный диапазон: NCP3163 — 0…70°С, а у NVC3163 он составляет −40…125°С.

Микросхемы серии LM2594, LM2595, LM2596

Все микросхемы этой серии имеют одинаковую структуру (см. рис. 6) и цоколевку корпусов. Отличие заключается только в параметрах выходных транзисторов, обеспечивающих разные выходные токи: 0,5; 1 и 3 А. Частота задающего генератора — 150 кГц.

Микросхемы имеют схему защиты от перегрева и схему ограничения тока в фазах регулирования.

Рис. 6. Структура LM2594, LM2595, LM2596

Преобразователи LM2574, LM2575, LM2576

Структура микросхем такая же (см. рис. 7), как у серии LM2594/LM2595/LM2596. Особенность серии — фиксированные выходные напряжения 3,3; 5,0; 12; 15, а также наличие модификации Adj. с регулируемым выходным напряжением. Частота внутреннего генератора также отличается — 52 кГц. Несмотря на одинаковую структуру, серия имеет отличную от серии LM 2594, LM2595, LM2596 цоколевку корпусов.

Ряд фиксированных значений напряжений задается встроенным резистивным делителем R2/R1. Микросхемы имеют различные выходные мощные транзисторы, которые обеспечивают ток 0,5…3 А.

Рис. 7. Структура и схема включения LM2574, LM2575, LM2576

Преобразователи NCP1546, NCP1547, NCV8842, NCV8843

Это преобразователи нового поколения, в которых используются более совершенные схемы управления стабилизацией выходного напряжения. Архитектура V2 обеспечивает более эффективную обратную связь как по току, так и по напряжению, отслеживая вариации входного напряжения и тока в нагрузке. Данный тип рекомендуется использовать для питания устройств с импульсными режимами потребления в нагрузке. Характерный пример — питание материнской платы в компьютерах.

Микросхемы обеспечивают лучший уровень стабилизации и лучшую надежность за счет совершенствования механизмов защиты от перегрева и короткого замыкания на выходе. Микросхемы этой серии имеют одинаковую структуру (см. рис. 8). Отличие заключается лишь в использовании разной частоты преобразования: 170 кГц для NCP1546 и 340 кГц для NCP1547. Для понижения уровня ЭМИ системы преобразователей микросхемы обеспечивают режим синхронной работы нескольких преобразователей. Имеются схемы защиты от перегрева силовых цепей, а также режим понижения частоты преобразования в 4 раза при коротком замыкании в нагрузке.

Рис. 8. Структура NCP1546/1547 с технологией регулирования V2

Особенностью микросхемы является очень низкий ток 1 мкА в дежурном режиме (SHDNB). Наличие режима мягкого запуска преобразователя снижает опасные перегрузки при его включении и уменьшает уровень ЭМИ.

Исполнения для автомобильных приложений имеют не только дополнительный префикс NCV, но и другие номера — NCV8842, NCV8843. По сути, кристаллы в микросхемах имеют такую же структуру.

Преобразователи CS51411, CS51412, CS51413, CS51414

Серия микросхем преобразователей понижающего типа разработана компанией Catalyst Semiconductor, которая вошла в состав ON Semi в августе 2009 г. По основным параметрам эта серия близка к NCP1546, NCP1547. Схемотехника этой серии ИС также обеспечивает превосходную стабилизацию выходного напряжения и отличные динамические характеристики благодаря запатентованной технологии V2 управления по цепи обратной связи и современным решениям для силовой части преобразователей (см. рис. 9).

Рис. 9. Схема включения микросхем преобразователей CS51411/13

Микросхемы преобразователей напряжения обеспечивают выходной ток 1,5 А. Диапазон входных напряжений 4,5…40 В. Микросхемы работают на фиксированной частоте преобразования 260 кГц (CS51411/12) или 520 кГц (CS51413/14).

Микросхемы CS51411 и CS51413 обеспечивают режим синхронной работы нескольких преобразователей, что позволяет снизить уровень ЭМИ за счет отсутствия биений близких частот. Модификации CS51412 и CS51414 имеют дополнительную опцию питания логики преобразователя от источника внешнего напряжения 3,3…6,0 В, что в случае высокого входного напряжения и низких выходных токов дает выигрыш в эффективности преобразования энергии. В структуре имеются схемы защиты от перегрева кристалла, ограничения тока в каждом цикле регулирования, а также схемы уменьшения тока при коротких замыканиях в нагрузке за счет уменьшения в четыре раза частоты генератора.

Микросхемы CS51411/13 и CS51412/14 отличаются цоколевкой и назначением выводов. У микросхем CS51411/13 имеется вывод SYNC для синхронного режима, а микросхемы CS51412/14 имеют вывод BIAS для внешней подачи внешнего напряжения питания логики преобразователя.

Микросхемы CS51411 и CS51413 полностью совместимы с ИС Linear Technologies LT1375, а CS51412/14 полностью совместимы с микросхемами LT1376.

Литература

1. Михаил Пушкарев. Микросхемы импульсных понижающих стабилизаторов. Эволюция схемотехники//Компоненты и технологии. №2. 2008.

2. Datasheet. LM2574, NCV2574 0.5 A, Adjustable Output Voltage, Step-Down Switching Regulator. ON Semi.

3. Datasheet. NCP1546 1.5 A, 170 kHz, Buck Regulator with Synchronization Capability. ON Semi.

4. Datasheet. MC34063A, MC33063A, NCV33063A 1.5 A, Step-Up/Down/Inverting Switching Regulators. ON Semi.

Мультиплексорные преобразователи напряжения на микросхемах и конденсаторах

Особое направление в технике преобразования напряжения составляют мультиплексорные преобразователи. Принцип их действия основан на использовании КМОП- или иных мультиплексоров — полупроводниковых переключаемых ключей. Для преобразования напряжения одного уровня или знака в напряжение другого уровня или знака накопительный конденсатор или их группу путем переключений заряжают от источника питания, а в следующий рабочий цикл подключают к нагрузке в той или иной полярности и последовательности.

Такие преобразователи обеспечивают электрическую изоляцию, обусловленную гарантированной заводом-производителем величиной, иногда до 10^10 Ом. Одновременно может быть получено неограниченное количество гальванически развязанных источников напряжения, которые можно соединять последовательно или параллельно. Преобразователи имеют малые габариты и собственное энергопотребление, не требуют использования выпрямителей.

Недостатками мультиплексорных преобразователей является низкая нагрузочная способность, невысокие выходные напряжения. Потери при преобразовании определяются электрическим сопротивлением открытых ключей (50… 150 Ом — для отечественных микросхем).

На рис. 3.1 показана одна из первых схем мультиплексорно-го преобразователя напряжения. На вход мультиплексора поступают импульсы управляющих сигналов прямоугольной формы частотой 8… 12 кГц. Как следует из анализа работы схемы, конденсатор С1 при помощи ключей мультиплексора по очереди подключается вначале к источнику питания, затем — к сопротивлению нагрузки, меняя при этом полярность выходного напряжения. КПД устройства при сопротивлении нагрузки 1 кОм составляет 80% и с увеличением этого сопротивления до 5 кОм возрастает до 95%. При напряжении питания преобразователя 8 В и сопротивлении нагрузки 1 кОм амплитуда пульсаций на нагрузке не превышает 30 мВ,

Рис. 3.1. Схема мультиплексорного преобразователя напряжения с инвертированием.

Рис. 3.2. Нагрузочные характеристики преобразователя (рис. 3.1).

Нагрузочные характеристики преобразователя (рис. 3.1) показаны на рис. 3.2.

Преобразователи напряжения (рис. 3.3, 3.4) предназначены для получения двух электрически развязанных от источника питания напряжений Е1 и Е2.

Устройства содержат генератор и/или формирователь уп-равляюще-коммутирующих импульсов, а также электронный коммутатор на основе КМОП-мультиплексора.

На микросхеме DD1 типа К176ИЕ12 (рис. 3.3) выполнен генератор-формирователь управляющих импульсов.

Рис. 3.3. Электрическая схема преобразователя с внутренним тактовым генератором.

Рабочая частота генератора определяется параметрами навесных RC-элементов. С выходов Т1 — Т4 микросхемы DD1 снимается последовательность сдвинутых на 90° импульсов с частотой порядка 2,5 кГц. На диодах VD1 — VD4 выполнен формирователь-сумматор управляющих импульсов, которые поступают на управляющие входы (А и В) микросхемы-мультиплексора DA1 типа К561КП1.

В преобразователе по другой схеме (рис. 3.4) тактовые импульсы частотой около 100 кГц, необходимые для работы счетчиков микросхемы DD1 типа К561ИЕ9, подаются на ее управляющий вход от внешнего генератора. Для формирования последовательности управляющих сигналов, поступающих на вход микросхемы-мультиплексора DA1, использованы диоды VD1 — VD8.

При подаче на управляющие входы А и В микросхемы DA1 управляющих сигналов происходит последовательное подключение накопительного электролитического конденсатора С4 на рис. 3.3 (СЗ на рис. 3.4) к источнику питания, затем к цепи формирования выходного напряжения Е1, а затем снова к источнику питания и далее — к цепи формирования выходного напряжения Е2 и т.д.

Рис. 3.4. Электрическая схема преобразователя с внешним тактовым генератором.

Рис. 3.5. Нагрузочные характеристики преобразователей.

Нагрузочные характеристики каждого из источников сформированных таким образом напряжений Е1 и Е2 идентичны и строго линейны (рис. 3.5). Эти выходы электрически изолированы от источника питания преобразователя (паспортное значение сопротивления изоляции — 10 1 Ом). Напряжение холостого хода на выходах преобразователя практически совпадает с напряжением питания устройства. Преобразователь не боится коротких замыканий по цепям нагрузки.

Для аварийного питания электронных устройств от резервного источника при пропадании напряжения в сети предназначено устройство по схеме на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема обратимого преобразователя напряжения.

Преобразователь содержит резервную аккумуляторную батарею GB1, задающий генератор на элементах DD1.1 — DD1.3, двухразрядный счетчик на D-триггерах DD2.1, DD2.2, двойной четырехканальный мультиплексор DA1 и емкостный накопитель-делитель на конденсаторах С2 — С5.

При наличии напряжения в бортовой сети устройство работает в режиме деления ее напряжения и подзарядки батареи GB1. Буферный режим обеспечен двунаправленным мультиплексором DA1, который поочередно подключает батарею параллельно одному из конденсаторов С2 — С5 емкостного делителя напряжения. В результате батарея заряжается до напряжения, равного четверти напряжения бортовой сети.

После пропадания напряжения в сети преобразователь автоматически переходит в режим умножения напряжения резервной батареи. В этом режиме конденсаторы С2 — С5 через мультиплексор DA1 последовательно заряжаются от батареи GB1, а поскольку они соединены последовательно, на выходе устройства создается напряжение, равное учетверенному напряжению батареи, которое питает не только обслуживаемое электронное устройство, но и микросхемы самого преобразователя.

Сигналы управления мультиплексором поступают с выходов микросхемы DD2, на вход которой приходят тактовые импульсы с частотой следования около 5 кГц с генератора импульсов DD1. Поскольку в режиме умножения напряжения узлы преобразователя питаются его выходным напряжением, для первоначального запуска необходимо кратковременно вручную подать в цепь питания напряжение бортовой сети. После самовозбуждения генератора преобразователь работает от батареи GB1.

Если устройство предполагается использовать в качестве резервного источника питания электронных часов, генератор на элементах микросхемы DD1 может и не понадобиться: его вполне можно заменить задающим генератором часов. Это позволит снизить потребляемый преобразователем ток до 10…20 мкА.

При использовании в батарее GB1 трех соединенных последовательно аккумуляторов Д-0,25 выходное напряжение преобразователя на нагрузке сопротивлением 68 кОм (ток нагрузки — 150 мкА) равно 10,1 В, а в режиме холостого хода — 10,8 В.

При установке устройства в автомобиле для аварийного питания часов на микросхемах серии К561 допускается подключение его к бортовой сети напряжением 12 В через развязывающий диод, предотвращающий перегрузку преобразователя.

Напряжение резервной батареи не должно превышать 4 В, иначе амплитуда выходного (умноженного) напряжения превысит максимально допустимое напряжение входных сигналов для микросхем серии К561, что приведет к выходу их из строя.

Отсутствие в преобразователе развязывающих диодов и транзисторных ключей обеспечивает КПД, достигающий 80…90%.

Специализированные микросхемы, принцип работы которых основан на переключении конденсаторов, позволяют создать исключительно простые и эффективные преобразователи напряжения, На рис. 3.7 показано использование управляемых ключей и переключаемого конденсатора С1 для получения инверсного напряжения. При подаче на вход устройства управляющего сигнала прямоугольной формы (или формирования такого сигнала прямо в самой микросхеме для максимального упрощения преобразователя) вначале замкнуты ключи S1 и S3, ключи S2 и S4 — разомкнуты. Конденсатор С1 соединен с источником питания и заряжен от него. В следующий такт работы преобразователя ключи S1 и S3 разомкнуты, а ключи S2 и S4 — замкнуты. Конденсатор С1 положительно заряженной обкладкой соединяется с общей шиной, отрицательно заряженной присоединяется к выходному конденсатору (конденсатору фильтра) С2, соединенному с нагрузкой. В итоге к конденсатору С2 и сопротивлению нагрузки будет подключен конденсатор С1, на выходе устройства будет получено напряжение инвертированной полярности.

На таком принципе основана работа микросхем МАХ828, МАХ829 фирмы MAXIM, ICL7660A, ICL7660S, ICL7662 фирмы Harris Semiconductors (или ее отечественного аналога КР1168ЕП1), LM2664 фирмы National Semiconductor и др.

Рис. 3.7. Получение инверсного напряжения на основе управляемых ключей.

Рис. 3.8. Цоколевка микросхем МАХ828, МАХ829.

Микросхемы МАХ828, МАХ829, цоколевка которых приведена на рис. 3.8, работают с частотами переключения 12 и 35 кГц, соответственно, причем на вход для преобразования и питания микросхем можно подавать напряжение 1,5…5,5 В. Выходной ток может доходить до 25 мА.

На рис. 3.9 показана типовая схема включения микросхем МАХ828, МАХ829. Преобразователь помимо самой микросхемы содержит лишь два конденсатора.

Рис. 3.9. Типовая схема включения микросхем МАХ828 и МАХ829.

Рис. 3.10. Схема для получения выходных напряжений -U и +2U.

На рис, 3.10 показана возможность получения от этих микросхем одновременно инвертированного выходного напряжения и второго выходного напряжения, примерно равного удвоенному напряжению питания [3.5].

Принцип работы микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1) аналогичен рассмотренному выше, однако внутреннее строение и цоколевки этих микросхем отличаются. Входное напряжение (напряжение питания этих микросхем) в зависимости от модификаций может быть от 1,5 до 10 (12) В. Рабочая частота переключения конденсаторов — 10 кГц. При работе микросхем для преобразования малых напряжений (1,5…3 В), их вывод 6 замыкают на общий провод. Выходной ток может достигать в зависимости от уровня преобразуемого напряжения 10 мА и более.

Типовая схема включения микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1) приведена на рис. 3.11. Для увеличения нагрузочной способности этих микросхем допускается неограниченное наращивание числа параллельно включенных микросхем (рис. 3.12), а для увеличения выходного напряжения — каскодное включение в соответствии с рис. 3.13.

Рис. 3.11. Типовая схема включения микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1).

Рис. 3.12. Способ повышения нагрузочной способности преобразователей.

Рис. 3.13. Способ повышения выходного напряжения преобразователей.

Рис. 3.14. Схема удвоителя напряжения на микросхеме ICL7660S (КР1168ЕП1).

Микросхемы ICL7660S (КР1168ЕП1) могут быть использованы для удвоения напряжения питания (рис. 3.14), для получения удвоенного напряжения положительной полярности и инвертированного напряжения (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Схема преобразователя напряжения на микросхеме ICL7660S (КР1168ЕП1).

Рис. 3.16. Способ получения искусственной средней точки.

Рис. 3.17. Схема микромощного инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме LTC1144.

Микросхемы ICL7660S (КР1168ЕП1) могут быть использованы для создания искусственной средней точки. Для этого микросхему следует включить как показано на рис. 3.16. При этом работает внутренний генератор микросхемы, и конденсатор С1 поочередно подключается сначала к источнику питания, затем к конденсатору С2, после чего вновь к источнику питания и в заключение к конденсатору СЗ. Нагрузка устройства может быть несимметричной и для одного из плеч даже отсутствовать. При этом, разумеется, будет наблюдаться неравенство выходных напряжений.

Микромощный инвертирующий преобразователь напряжения (рис. 3.17), выполнен на специализированной микросхеме LTC1144, предназначенной для переключения конденсаторов. Микросхема выполнена по КМОП-технологии. Ее входное напряжение может достигать 20 В. При подаче на вход микросхемы напряжения 15 В на выходе формируется напряжение противоположной (отрицательной) полярности. При изменении тока нагрузки от 0 до 50 мА выходное напряжение снижается с 15 В до 12,6 В.

Собственный ток потребления преобразователя не превышает 1,2 мА, что обеспечивает высокую эффективность преобразования. В неактивном состоянии микросхема потребляет ток до 8 мкА.

Преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах с микросхемой LT1054 (рис. 3.18) также обеспечивает на выходе напряжение противоположной полярности. При минимальном входном напряжении 6,5 В микросхема LT1054 может вырабатывать выходное стабильное напряжение -5 В при токе нагрузки до 100 мА. Максимальное входное напряжение может достигать 20 В.

Рис. 3.18. Схема преобразователя напряжения на микросхеме LT1054.

Микросхема LT1026 (рис. 3.19) предназначена для создания двухполярных источников питания ±5 В. При минимальном токе нагрузки и входном напряжении 5 В выходные напряжения преобразователя составляют 9 В. При возрастании тока нагрузки от 0 до 15 мА выходные напряжения плавно снижаются до 6 В. Преобразователь содержит несколько навесных конденсаторов небольшой емкости и габаритов.

Еще один тип преобразователей на переключаемых конденсаторах, имеющий иную схему перекачки заряда, может быть осуществлен по функциональной схеме, показанной на рис. 3.20. Это удвоители-инверторы напряжения. К ним относятся, например, микросхемы типа МАХ868 и им подобные.

Рис. 3.19. Формирование двухполярного напряжения на микросхеме LT1026.

Рис. 3.20. Принцип получения удвоенного напряжения.

Принцип удвоения/инверсии напряжения ясен из рис. 3.20. Вначале конденсаторы С1 и С2 подключены параллельно источнику питания. В следующий такт они включаются уже последовательно и в другой полярности подключаются к сопротивлению нагрузки и конденсатору фильтра С.

Микросхемы работают при подводимом напряжении питания 1,5…5,5 В на частоте 450 кГц (300…600 кГц). Выходной ток может достигать 30…35 мА, а выходное отрицательное напряжение регулироваться в пределах (1…2)UnMT

Типовое включение микросхемы МАХ868 для получения выходного напряжения -7,5 В и -3,3 В при напряжении питания +5 В показано на рис. 3.21 и 3.22, соответственно.

Для микросхем типа МАХ619 (рис. 3.23), также работающих с использованием переключаемых конденсаторов по принципу перекачки заряда, входное напряжение может быть в пределах токе 75 мА и максимальном — 150 мА. Выходное напряжение преобразователя стабилизировано на уровне 5 В при токе нагрузки до 60 мА.

2,0…3,6 В при потребляемом преобразователем номинальном

Рис. 3.21. Типовое включение микросхемы МАХ868.

Рис. 3.22. Вариант типового включения микросхемы МАХ868.

Рис. 3.23. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ619 или МАХ662А.

Микросхема аналогичного назначения МАХ662А работает при повышенных входных и выходных напряжениях: входное 4,75…5,5 В; выходное — стабилизированное, 12 Б±5% при токе нагрузки до 30 мА.

Микросхемы МАХ619 и МАХ662А могут включаться-отклю-чаться логическим уровнем сигнала, подаваемого на вывод SHDN микросхемы.

Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения, выполненного на основе специализированной микросхемы LTC1911 фирмы Linear Technologies, показана на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Понижающий преобразователь напряжения на коммутируемых конденсаторах.

При подаче на вход преобразователя напряжения в пределах 2,7…5,5 В на выходе получается стабилизированное напряжение 1,5 В±4% при токе нагрузки до 250 мА. КПД устройства намного выше КПД обычных (линейных) преобразователей напряжения и изменяется в пределах от 60 до 85% в зависимости от тока нагрузки. Собственный ток, потребляемый микросхемой, не превышает 180 мкА.

Преобразователь выполнен на основе переключаемых с частотой до 1,5 МГц внешних (навесных) конденсаторов С2 и СЗ. Пульсации выходного напряжения при максимальном токе нагрузки не превышают 12 мВ от пика до пика. Электролитические конденсаторы С1 и С4 должны быть типа К53. Параллельно им рекомендуется подключить керамические конденсаторы емкостью в доли мкФ.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Понижающий преобразователь напряжения на MP1584 или отправляем LM2596 на дембель

Кто то может подумать: Старый конь борозды не испортит… А мы ответим: но и глубоко не вспашет.
Поэтому предлагаю вам обзор о понижающем преобразователе напряжения на основе микросхемы MP1584. Продавец позиционирует готовые платы как улучшенную альтернативу преобразователям на LM2596. В моем предыдущем обзоре о преобразователе на микросхеме LM2596 я столкнулся с диким несоответствием заявленным параметрам. Реальные значения меня не удовлетворили и в конце обзора я упомянул что заказал на пробу более продвинутые платы.

Итак, встречаем:

Доставка и внешний вид:
Учитывая копеечную стоимость заказа я не удивился тому, что обнаружил пакет с пупырками в своем почтовом ящике. Внутри было 2 платы запаянные в антистатический пакет. Что было вполне ожидаемо. Фломастером я позже сам подписал, что бы параметры заявленные не забыть.

Размеры платы 22х17мм, высота 4мм.
Контактные площадки под пайку. Отверстий для монтажа не предусмотрено.
Следов флюса нет, пайка приемлемая. Смотрел через лупу, дефектов не нашел, я сам так спаять к сожалению не в состоянии. Под микросхемой и дросселем отверстия с металлизацией для лучшего отвода тепла.

Сравнение с LM2596:
Разница в размерах приличная. Правда из за размеров платы эффективность рассеивания тепла ниже, но и КПД заявлено до 96%

Документация и схема:
Документацию в электронном виде можно посмотреть тут MP1584
Используется практически типовой диод Шоттки SS34 40В, 3А, который кстати на испытуемой плате держался молодцом.
Дроссель индуктивностью 8.2мкГн что согласно таблице 3 даташита указывает на лучшую эффективность работы преобразователя при выходном напряжении 3.3В и чуть хуже при 5В. Резистор R3 на плате 100кОм, согласно спецификации оптимально 1.8В выходное напряжение. В очередной раз убеждаюсь что все эти платы собирают из того что было под рукой, максимально удешевляют производство.
Схема типового включения:

Схема конкретной платы:

Обрыв подстроечного резистора выдаст на выходе максимальное напряжение на которое настроен делитель R1 R2. В данном случае до 20 Вольт. И это плохо.

Изначально думал что у купленной платы вместо электролитических конденсаторов на входе и выходе стоят керамические. Но на поверку оказалось что стоят электролиты 12-13 мкФ:

Так же вместо резистора R1 установлен подстроечный резистор для регулировки выходного напряжения. К слову очень ненадежный, тяжело выставлять точное напряжение. При малейшей механической нагрузке напряжение может «уплыть». Решается эта проблема несколькими вариантами: капелька лака для ногтей или краска типа эмали для фиксации контактных площадок подстроечного резистора

или замена «подстроечника» на постоянный резистор.
В частном случае можно поступить так — настроить подстроечный резистор на нужное напряжение, выпаять его и поставить эквивалентное постоянное сопротивление.

Интересный момент, управляя входом микросхемы 2(EN) с помощью логического уровня можно переводить микросхему в режим стоп-старт, т.е. можно извне управлять работой микросхемы и соответственно включать или обесточивать нагрузку.

Немаловажный факт, частота преобразования: Задается резистором подключенным к выводу 6 микросхемы и в типовом варианте имеет сопротивление 200кОм, но на плате установлен 100кОм. Формула задания частоты преобразования:

Просил на работе проверить частоту преобразования — сказали около 950 КГц. Обилие резисторов 104, унификация, что поделать. Частота соответствует установленному сопротивлению.

КПД:

Продавец заявляет КПД до 96% и опять обман. Максимальное КПД которое можно выжать не более 88% При чем оно максимально при питающем напряжении около 12 Вольт и диапазоне нагрузки 0.5-2 Ампера.

Испытания:
Для начала замер потребляемого тока на холостом ходу 0.22мА. Неплохо.

В качестве нагрузки применил 2 резистора 3.3 и 2.2 Ом. В виду сильного нагрева последние на время тестирования были помещены в емкость с водой.

На данный момент тепловизор недоступен, отдали в прокат на другой объект, поэтому замер температуры был произведен пирометром достаточно популярным.

Точность в пределах пары градусов.

Пробное включение производится без нагрузки для выставления нужного выходного напряжения, что бы избежать выхода из строя платы или нагрузки.

Даем нагрузку и оставляем в работе:

Через пару минут я услышал работу преобразователя. Ну как услышал — магнитола подключенная к тому же блоку питания начала шипеть, появились помехи. Контроль напряжения начал показывать периодические просадки выходного напряжения на 10-15% Сработала термозащита микросхемы и преобразователь периодически начал пропускать такты. Знатоки компьютеров используют термит «троттлинг»
Думая что большее входное напряжение должно облегчить работу преобразователя без перерыва подключил преобразователь к блоку питания 24 Вольт. Первое включение — щелчок и в микросхеме появилась дырка (позже начав изучать документацию я понял что КПД немного упало и я просто добил микросхему, которой и так было тяжело от перегрева).
Волшебного дыма не было. К чести преобразователя на выходе напряжение отсутствовало.

Что бы не спалить вторую и последнюю плату было решено использовать радиатор и установить его с помощью термогерметика на обратную сторону платы.
Термогерметик star 922 многим знаком. Я его использую для фиксации светодиодов. Не самый лучший конечно, но хоть что то.
Радиатор:

С обратной стороны что бы радиатор не замыкал контакты на плате сточил часть напильником. Для визуального восприятия закрасил маркером:

Вот так выглядит плата с радиатором (отпилен от большого что используется в блоках питания АТХ)

Замеры температуры были сведены в мини таблицу:
Для испытаний выбрал наиболее распространенные в цифровой логике напряжения 5В и 3.3В. Входное напряжение со стенда, с учетом падения на проводах 11,5-11,7Вольта. Резисторы обычные 5%. Ток округлил до десятых, поскольку заострил внимание на температуре: t1 — максимальная температура на плате со стороны деталей. t2 — максимальная температура с обратной стороны платы.

Каждый раз дав плате поработать около 10 минут производил замер температуры. Замер производился многократно по всей поверхности платы на расстоянии 1 см, учитывалось только максимальное значение. В 100% случаем самый горячий элемент на плате являлся микросхемой.
При нагрузке 2.2Ом при выходном напряжении 5В замеры без радиатора не проводились, поскольку на первом экземпляре преобразователя взорвалась микросхема.

Замечен факт повышения напряжения на выходе под нагрузкой при заданном 3.3В(без нагрузки) до 3.45В. При испытаниях на выходе 5В такого не наблюдалось.

К сожалению осциллограф не доступен и посмотреть сигнал на выходе нет возможности, но этот недостаток будет устранен в ближайшее время. Поскольку я таки задавил свою жабу и заказал кит осциллограф DSO062.

Рекомендации при использовании:
При токе нагрузки выше 1А желательно установить небольшой радиатор, можно в половину того что использовал я. Вполне достаточно. Фиксация подстроечного резистора лаком. При использовании совместно с приемником УКВ применить для фильтрации помех по питанию дополнительные керамические конденсаторы.

Выводы:
Плюсы:
Компактность. Если не «выдавливать» по максимуму из преобразователя, то вполне работоспособно. Достаточно высокий КПД и большой диапазон напряжений. Включением преобразователя можно управлять извне (необходима мелкая переделка платы — подпаять проводник). При выходе из строя микросхемы на выходе преобразователя входного напряжения не обнаружено (возможно это частный случай).
Минусы:
Не понравилась маркировка питания только с обратной стороны, Продавец плату перехвалил, она так же не выдерживает заявленных характеристик. Необходима незначительная доработка для эффективной работы. Кроме того имеются помехи в УКВ ФМ диапазоне (на магнитоле слышно шум и свист, особенно при граничных режимах работы). Подстроечный резистор оставляет желать лучшего, оптимально заменить на многооборотный или постоянный резистор (при необходимости одного фиксированного напряжения на выходе).
UPD: буду дальше выбирать преобразователи, какой посоветуете: KIS-3R33S, XM1584, MP2307 еще варианты, требования выход 5В и ток 3А без значительных переделок?

Ваши замечания по обзору будут своевременно устранены и помогут мне в дальнейшем.

Как работает DC-DC преобразователь напряжения | Материнские платы | Блог

Преобразователи напряжения используются везде и всюду. Будь то огромные многотонные трансформаторы на электроподстанциях, обычные 50-герцовые трансформаторы в домашней аппаратуре или сложные импульсные схемы с умными микроконтроллерами. Любой электроприбор имеет собственные требования к питанию, да и отдельные узлы в этом приборе тоже привередливы к значениям напряжений. Вопрос — почему? Из статьи вы узнаете, зачем вообще нужны преобразователи и как работает DC-DC регулятор напряжения на материнской плате компьютера.

Никакого единства…

В розетке 220 вольт, у блока питания 12 вольт, у зарядки телефона 5 вольт… Может сложиться впечатление, что инженерам нравится играть с напряжением, сначала повышая его до миллионов вольт на линиях электропередач, а потом до единиц вольт для питания центрального процессора. Почему люди не придумали какое-то единое значение напряжения и не используют его везде?

Определенно, центральный процессор — да и вообще любой другой микрочип — питать высоким напряжением прямо из розетки нельзя. Двенадцать вольт после блока питания тоже не подойдут. Во-первых, на микроскопическом уровне даже лишние пара десятых вольта могут привести к утечкам тока и повлиять на стабильность схемы. Во-вторых, чем выше напряжение, тем большее энергии расходуется на работу процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса разработчики стараются снизить и рабочий вольтаж. Когда-то процессоры, например, древний Intel 8086 выпуска 70-х годов, питались от 5 вольт, а современные работают всего от 1-1,4 вольта.

Блоки питания с напряжением 1 вольт на выходе — тоже не вариант, так как сила тока будет чрезмерно высокой — от нескольких десятков до сотен ампер. Ведь, снижая напряжение, растет сила тока при той же мощности. Вычислить силу тока можно, поделив мощность на напряжение.

 Большая сила тока вставляет палки в колеса при подборе проводников из-за их сопротивления. Сопротивление — эффект, когда структура проводника мешает беспрепятственному протеканию тока по нему. Заряженные частицы врезаются на полной скорости в атомы проводника, чем и вызывают сопутствующий нагрев, а сами частицы теряют энергию. Это как бег с препятствиями. Вы тоже потеряете энергию, если во время бега по густому лесу будете влетать в деревья.

Сопротивление любого провода не нулевое, причем оно увеличивается с ростом его длины. Толщина провода также влияет на сопротивление. Поэтому, чтобы передать большую мощность при низком значении напряжения и высокой силе тока, придется использовать довольно толстые провода.

К примеру, напряжение на ЛЭП специально увеличивают до сотен тысяч вольт после электростанции, чтобы передавать мегаватты электрической мощности на значительные расстояния с помощью относительно тонких проводов.

И последнее. У любой электроники свое значение рабочего напряжения, а у процессора оно еще и регулируется в зависимости от нагрузки и условий работы. Так что договориться и сделать единую энергосистему с одинаковым значением напряжения попросту нереально.

Нет, без преобразователей ну никак не обойтись.

Устройство DC-DC преобразователя

Для питания микроэлектроники от постоянного напряжения используются DC-DC преобразователи, основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM.

Как это работает? Возьмите обычный вентилятор. Что будет, если вы его включите? Правильно, он будет дуть с одинаковой силой.

Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать? Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором.

Выходит, если включать и выключать питание вентилятора, то вместо постоянного напряжения мы получим прерывистые импульсы той же амплитуды.

Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Но вместо человека с выключателем используется транзистор — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а десятки тысяч раз (10 кГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор называется «ключевым».

Кто-то может возмутиться: «Но, погодите, нам нужно получить напряжение в 1 вольт, а тут хоть и прерывистые, но те же 12 вольт, что и на входе! Кажется, нас обманывают!»

Действительно, таким образом питать процессор по-прежнему нельзя. Так что к ключевому транзистору (VT1) понадобятся еще несколько элементов: катушка индуктивности (L), конденсатор (C) и синхронный транзистор (VT2). Катушка и конденсатор образуют LC-фильтр.

Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.

Первая стадия — накачиваем энергию

Когда транзистор VT1 открыт, его собрат — синхронный транзистор VT2 — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток и заряжается конденсатор C.

Вторая стадия — стадия разряда

Транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2 — он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки, создавая замкнутую цепь питания. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Накопленная в катушке энергия теперь играет роль источника питания и поддерживает силу и направление тока, а конденсатор разряжается и питает нагрузку.

Затем транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с довольно высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих миллионы раз в секунду (измеряется в мегагерцах, МГц).

Благодаря этому процессу мы получаем постоянное напряжение на нагрузке ниже, чем входное до ключевого транзистора. Импульсы как бы сглаживаются, образую близкую к прямой линию напряжения.

То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не бывает, и всегда присутствуют небольшие пульсации напряжения. И главное, подобрать параметры катушки и конденсатора таким образом, чтобы они не успевали разрядиться полностью к концу цикла. Тогда ток становится неразрывным.

К слову, ток на всей цепи примерно равен. А так как синхронный транзистор VT2 открыт несоизмеримо дольше — работать ему приходиться, что называется, за троих.

Как настраивается преобразователь

Уровень напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Ведь чем дольше открыт транзистор VT1, тем больше энергии успевает накопить катушка и тем выше будет по итогу напряжение после LC-фильтра.

Если мы поделим время первой стадии на длительность полного цикла, то получим коэффициент заполнения (D) от 0 до 100 %. Чтобы узнать выходное напряжение (U out), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (U in).

А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим U out на U in. Простой пример: чтобы получить типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, то, поделив на входные 12 вольт (напряжение на выходе блока питания), получим D=0,1. Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда.

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.

3 Объяснение схем преобразователя частоты в напряжение

Как следует из названия, преобразователи частоты в напряжение — это устройства, которые преобразуют входную переменную частоту в соответствующие уровни выходного напряжения.

Здесь мы изучаем три простых, но продвинутых проекта с использованием IC 4151, IC VFC32 и IC LM2907.

1) Использование IC 4151

Эта схема преобразователя частоты напряжения, использующая IC 4151, характеризуется высокой степенью линейности преобразования. При указанных значениях частей коэффициент преобразования схемы может быть около 1 В / кГц.

Когда на входе используется напряжение постоянного тока с частотой 0 Гц, на выходе генерируется соответствующее напряжение 0 В. Коэффициент преобразования на выходе никогда не зависит от рабочего цикла входной средней квадратичной частоты.

Но, если на входе применяется частота синусоидальной волны, в этой ситуации сигнал должен быть пропущен через триггер Шмитта перед подачей его на вход IC 4151.

Если вас интересует другой коэффициент преобразования, вы можете рассчитать его по следующей формуле:

В (выход) / f (вход) = R3 x R7 x C2 / 0.486 (R4 + P1) x [В / Гц]

T1 = 1,1 x R3 x C2

Схема может быть даже подключена к выходу преобразователя напряжения в частоту и использоваться как способ передачи сигналов постоянного тока по удлиненному кабелю подключение без проблем с сопротивлением кабеля, ослабляющим сигнал.

2) Использование конфигурации VFC32

В предыдущем посте объяснялась простая однокристальная схема преобразователя напряжения в частоту с использованием микросхемы VFC32, здесь мы узнаем, как ту же микросхему можно использовать для достижения частоты, противоположной схеме преобразователя напряжения.

На рисунке ниже изображена другая стандартная конфигурация VFC32, которая позволяет ему работать как цепь преобразователя частоты в напряжение.

Входной каскад, образованный емкостной цепью C3, R6 и R7, обеспечивает совместимость входа компаратора со всеми логическими триггерами 5 В. Компаратор, в свою очередь, переключает соответствующий одноразовый каскад на каждом спадающем фронте подаваемых входных импульсов частоты.

Принципиальная схема

Пороговое значение входного задания для компаратора детектора составляет около –0.7В. В случае, когда входные частоты может быть ниже, чем 5 В, потенциал делитель R6 / R7, может быть соответствующим образом скорректированы для изменения опорного уровня и для обеспечения надлежащего обнаружения входов низких частот уровня на операционных усилителях.

Как показано на графике в предыдущей статье, значение C1 может быть выбрано в зависимости от полного диапазона триггеров частотного входа.

C2 отвечает за фильтрацию и сглаживание формы волны выходного напряжения, большие значения C2 помогают лучше контролировать пульсации напряжения на сгенерированном выходе, но отклик медленный на быстро меняющиеся входные частоты, тогда как меньшие значения C2 вызывают плохую фильтрацию но предлагают быстрый отклик и настройку с быстро меняющимися входными частотами.

Значение

R1 можно настроить для достижения настраиваемого диапазона выходного напряжения полного отклонения по отношению к заданному диапазону входной полной шкалы.

Как работает схема преобразователя частоты в напряжение

Основная работа предлагаемой схемы преобразователя частоты в напряжение основана на теории заряда и баланса. Частота входного сигнала рассчитывается так, чтобы соответствовать выражению V) (in) / R1, и это значение обрабатывается соответствующим операционным усилителем IC посредством интегрирования с помощью C2.Результат этого интегрирования приводит к падающему выходному напряжению интегрирования рампы.

Пока происходит вышеупомянутое, срабатывает следующий каскад однократного включения, подключающий опорный ток 1 мА к входу интегратора в ходе одноразового режима.

Это, в свою очередь, переворачивает реакцию нарастания выходного сигнала и заставляет его подниматься вверх, это продолжается, пока включен однократный режим, и как только его период истекает, линейное изменение снова вынуждено изменить свое направление и заставляет вернуться к нисходящий падающий узор.

вычисления частоты

Описанный выше процесс отклика колебательного обеспечивает устойчивый баланс заряда (средний ток) через ток входного сигнала и опорный ток, которая решается с помощью следующего уравнения:

I (в) = IR (пр )
В (вход) / R1 = fo tos
(1 мА)
Где fo — частота на выходе, t — период однократного импульса = 7500 C1 (Frarads)

Значения R1 и C1 выбираются соответствующим образом, чтобы в результате рабочий цикл составит 25% в полном диапазоне выходной частоты.Для FSD, который может быть выше 200 кГц, рекомендуемые значения будут генерировать около 50% рабочего цикла.

Рекомендации по применению:

Наилучшей областью применения для описанной выше схемы преобразователя частоты в напряжение является то, где требуется преобразование частотных данных в данные напряжения.

Например, эту схему можно использовать в тахометрах, а также для измерения скоростей двигателей в диапазонах напряжения.

Таким образом, эту схему можно использовать для изготовления простых спидометров для двухколесных транспортных средств, включая велосипеды и т. Д.

Обсуждаемую ИС можно также использовать для создания простых, недорогих, но точных частотомеров в домашних условиях, используя вольтметры для считывания выходного преобразования.

3) Использование микросхемы LM2917

Это еще одна превосходная серия микросхем, которую можно использовать для множества различных схем. По сути, это микросхема преобразователя частоты в напряжение (тахометр) со многими интересными функциями. Узнаем больше.

Основные электрические характеристики

Основные характеристики микросхем LM2907 и LM2917 подчеркнуты следующим образом:

• Входной вывод тахометра, привязанный к земле, можно напрямую сделать совместимым со всеми видами магнитных датчиков с различным сопротивлением.
• Выходной вывод связан с внутренним транзистором общего коллектора, который может потреблять до 50 мА. Это может управлять даже реле или соленоидом напрямую без внешних буферных транзисторов, светодиоды и лампы также могут быть интегрированы с выходом, включая входы CMOS.
• Чип может удваивать низкие частоты пульсации.
• Входы тахометра имеют встроенный гистерезис.
• Вход тахометра с заземлением полностью защищен от колебаний входной частоты, превышающих напряжение питания ИС или отрицательного потенциала ниже нуля.

Детали распиновки различных доступных корпусов микросхем LM2907 и LM2917 можно увидеть на приведенных ниже изображениях:

Основные области применения этой микросхемы:

• Измерение скорости: его можно использовать для определения вращения скорость или скорость движущегося элемента
• Преобразователи частоты: для преобразования частоты в линейно изменяющуюся разность потенциалов
• Сенсорные переключатели на основе вибрации

Автомобильная промышленность

Чип становится особенно полезным в автомобильной области, как указано ниже:

• Спидометры: в транспортных средствах для измерения скорости.
• Измерители выдержки в точке прерывания: также приложение для измерения параметров двигателя транспортного средства.
• Handy Tachometer: чип можно использовать для изготовления портативных тахометров.
• Контроллеры скорости: Устройство может применяться в устройствах контроля скорости или регулирования скорости.
• Другие интересные применения LM2907 / LM2917 IC включают: круиз-контроль, управление замками автомобильных дверей, управление сцеплением, управление звуковым сигналом.

Абсолютные максимальные номинальные значения

(то есть номиналы, которые нельзя превышать, для ИС)

1. Напряжение питания = 28 В
2. Ток питания = 25 мА
3. Напряжение коллектора внутреннего транзистора = 28 В
4. Дифференциальный тахометр входное напряжение = 28 В
5. Диапазон входного напряжения = +/- 28 В
6. Рассеиваемая мощность = от 1200 до 1500 мВт

Другие электрические параметры

Прирост напряжения = 200 В / мВ

Выходной ток стока = от 40 до 50 мА

Отличительные особенности и преимущества этой микросхемы

1. Выход не реагирует на нулевые частоты и выдает нулевое напряжение на выходе.
2. Выходное напряжение можно просто рассчитать по формуле: VOUT = fIN × VCC × Rx × Cx
3. Простая RC-цепь определяет функцию удвоения частоты IC.
4. Встроенный стабилитрон обеспечивает регулируемое и стабилизированное преобразование частоты в напряжение или ток (только в LM2917)

Типичная схема подключения микросхемы LM2907 / LM2917 показана ниже:

Для получения дополнительной информации вы можете сослаться на эту статью

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

.

Схема преобразователя напряжения на коммутируемом конденсаторе

Преобразователь напряжения на коммутируемом конденсаторе выполняет передачу энергии и преобразование напряжения с помощью конденсаторов. В основном существует два типа преобразователей напряжения на переключаемых конденсаторах: первый — это схема инвертора напряжения , а второй — схема удвоителя напряжения . Эти типы схем обычно известны как схемы накачки заряда .

В этом проекте мы спроектируем преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах с использованием микросхемы Texas Instruments LMC7660S , а также построим схему на макетной плате без пайки, чтобы продемонстрировать ее работу.Эта схема очень проста, поскольку для правильной работы требуется только два внешних конденсатора.

Как работает инвертор напряжения с коммутируемым конденсатором?

Ниже приведена функциональная блок-схема микросхемы 7600S, взятая из ее таблицы данных .

IC содержит четыре больших переключателя (в основном MOSFET). В первой половине входной волны переключения переключатели S1 и S3 замкнуты, поэтому конденсатор накачки Cp заряжается до напряжения питания V +.Во время второй половины волны переключения переключатели S2 и S4 замкнуты, а S1 и S3 разомкнуты. Когда S2 соединяет конденсатор накачки с землей, выходной конденсатор Cr вырабатывает напряжение, равное -V + / 2. После нескольких циклов переключения напряжение на выходном конденсаторе будет точно равно -V +. В этот момент выходное напряжение является отрицательной величиной входного напряжения, а входной ток примерно равен выходному току.

Характеристики:

Вот список функций LMC7660 IC

• Простое преобразование логического источника +10 В в питание -10 В
• Простое умножение напряжения (VOUT = (-) nVIN)
• Простота использования — требуется только 2 внешних некритичных пассивных компонента
• Типичный КПД преобразования напряжения холостого хода 99%
• Типичный КПД 98%
• Широкий диапазон рабочего напряжения 1.От 5 В до 10,0 В
• Нет внешнего диода при полной температуре. и диапазон напряжения

Необходимые компоненты

Шл. №	Детали	Тип	Кол. Акций
1	LMC7660	IC	1
2	10 мкФ	Конденсатор	1
3	10 К	Резистор	1
4	Блок питания	постоянный ток (0-10) В	1
5	Проволока одного калибра	Общий	6
6	Макет	Общий	1

Принципиальная схема

Ниже приведена схема преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах, взятая из таблицы .

Применение ИС импульсного конденсаторного стабилизатора напряжения LMC7660S

Это очень маленькая, эффективная и полезная ИС, которую можно использовать в различных приложениях.

• Допустим, вам нужно измерить напряжение True RMS с помощью микроконтроллера. Для этого вам понадобится операционный усилитель для усиления входного сигнала переменного тока и источник питания с двойной полярностью для питания операционного усилителя. В этом случае может оказаться очень полезным LMC7660 IC .Поместив эту ИС и два недорогих конденсатора в свою схему, вы можете легко создать отрицательное входное напряжение.
• В другом сценарии, когда вам необходимо усилить сигнал от емкостного микрофона , также требует источника питания двойной полярности для правильного усиления сигнала. В этой ситуации микросхема 7660 может оказаться очень кстати.
• Для питания требуется двухполюсный усилитель Push-Pull .
• Бортовой отрицательный источник питания для динамических RAM.
• Эта ИС также используется в телекоммуникационной отрасли, где она используется для питания операционного усилителя OP07 и аналогового мультиплексора CD4051, , который является очень важной частью всей схемы, поскольку он используется для измерения Напряжение батареи , Входное напряжение переменного тока и I Входной переменный ток .

Что можно и нельзя

• Максимальное входное напряжение этой ИС составляет 10 В, входное напряжение выше 10 В обязательно повредит эту ИС.
• Вывод 6 микросхемы является выводом LV (низкое напряжение), если входное напряжение ≤3,5 В, этот вывод должен быть заземлен. В противном случае этот штифт должен быть в плавающем состоянии.
• Конденсатор CP должен быть размещен очень близко к ИС, иначе ИС может защелкнуться.
• Для повышения эффективности схемы можно использовать конденсатор с низким значением ESR.
• Следует иметь в виду, что эффективность снижается с увеличением тока нагрузки, например, при токе нагрузки 40 мА КПД составляет около 75%.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.

,

СТАНДАРТНАЯ МИКРОСХЕМА МИКРОСХЕМА, ЛИНЕЙНЫЙ, РЕГУЛИРУЕМЫЙ АНАЛОГОВЫЙ КОНТРОЛЛЕР, МОНОЛИТНЫЙ КРЕМНИЙ

Транскрипция

1 ИЗМЕНЕНИЯ LTR ОПИСАНИЕ ДАТА (YR-MO-DA) УТВЕРЖДЕНО REV REV REV STATUS REV OF S PMIC N / A МИКРОСХЕМА НА ЭТОМ ЧЕРТЕЖЕ ДОСТУПНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВСЕМИ ОТДЕЛАМИ И АГЕНТСТВАМИ ДЕПАРТАМЕНТА DEFENES RIGHT RICKED ПИТАДИЯ, УТВЕРЖДЕННАЯ ЧАРЛЬЗОМ Ф.ДАТА УТВЕРЖДЕНИЯ ЧЕРТЕЖА САФФА МИКРОСХЕМА, ЛИНЕЙНЫЙ, РЕГУЛИРУЕМЫЙ АНАЛОГОВЫЙ КОНТРОЛЛЕР, МОНОЛИТНЫЙ КРЕМНИЙ AMSC НЕТ КОД КЛЕТКИ 10 DSCC ФОРМА E103-10

2 1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 1.1 Область применения. Этот чертеж документирует два уровня класса гарантии продукта, состоящие из высокой надежности (классы устройств Q и M) и применения в космосе (класс устройств V). Доступны варианты оформления корпуса и отделки выводов, которые отражены в детали или идентификационном номере (PIN).Если возможно, выбор уровней радиационной стойкости (RHA) отражается в PIN-коде. 1.2 PIN. ПИН-код показан в следующем примере: VPA Федеральное обозначение класса акций Обозначение RHA (см. 1.2.1) тип (см. 1.2.2) обозначение класса \ / (см. 1.2.3) \ / Номер чертежа Схема корпуса (см. 1.2.1). 4) Свинцовая отделка (см. 1.2.5) Обозначение RHA. Устройства классов Q и V с маркировкой RHA соответствуют уровням RHA, указанным MIL-PRF, и отмечены соответствующим обозначением RHA. Устройства с маркировкой RHA класса M соответствуют стандарту MIL-PRF-38535, приложение A, указанным уровням RHA и отмечены соответствующим обозначением RHA.Тире (-) обозначает тип (ы) устройств, отличных от rha. Тип (ы) устройства идентифицируют функцию цепи следующим образом: Тип Общий номер Функция цепи 01 UC19432 Настраиваемое обозначение класса аналогового контроллера. Обозначение класса устройства представляет собой одну букву, обозначающую уровень гарантии продукта следующим образом: документация по требованиям класса MQ или V Самосертификация поставщика в соответствии с требованиями к микросхемам уровня B, не относящимся к JAN, соответствующим стандарту MIL-STD-883 в соответствии с MIL-PRF -38535, приложение A Сертификация и квалификация к плану (ам) дела MIL-PRF.Контур (и) корпуса соответствует стандарту MIL-STD-1835 и выглядит следующим образом: Буквенное обозначение Описательное обозначение Клеммы Тип корпуса P GDIP1-T8 или CDIP2-T8 8 Отделка с двумя выводами в линию. Поверхность свинца соответствует стандарту MIL-PRF для устройств классов Q и V или MIL-PRF-38535, приложение A для устройств класса M. 2

3 1.3 Абсолютные максимальные рейтинги. 1 / Напряжение питания (V CC) V Выходное напряжение, регулируемое коллектором (V COLL) V Неинвертирующий вход усилителя ошибки (+ EA)… 6 В Инвертирующий вход на вход усилителя ошибки (SENSE) … 6 В Компенсация усилителя ошибки (COMP) … 6 В Опорный выход (REF) … 6 В Выходной ток стока на выводе COLL (непрерывный или средний по времени ) (I COLL) ma Выходной ток источника вывода ISET (непрерывный или среднее по времени) (ISET) ma Рассеиваемая мощность (PD) при TA 25 C … 1 Вт 2 / Диапазон температур хранения от C до +150 C Температура перехода (TJ ) C до +150 C Температура вывода (пайка, 10 секунд) C Тепловое сопротивление, переход к корпусу (JC) … См. MIL-STD-1835 Тепловое сопротивление, переход к окружающей среде (JA) C / W 1 ,4 Рекомендуемые условия эксплуатации. Напряжение питания (В CC) От В до 24 В Диапазон рабочих температур окружающей среды (T A) C до +125 C 2. ПРИМЕНИМЫЕ ДОКУМЕНТЫ 2.1 Правительственные требования, стандарты и справочники. Следующие ниже спецификации, стандарты и справочники являются частью этого чертежа в той степени, в которой это указано в нем. Если не указано иное, вопросы, указанные в этих документах, указаны в тендере или контракте. ОТДЕЛ ОБОРОНЫ MIL-PRF Интегральные схемы, Производство, Общие спецификации для.ОТДЕЛЕНИЕ ОБОРОНЫ Стандартные микросхемы метода испытаний MIL-STD. Контуры корпуса электронных компонентов стандарта интерфейса MIL-STD. РУКОВОДСТВО ОТДЕЛА ЗАЩИТЫ MIL-HDBK MIL-HDBK Список стандартных чертежей микросхем. Стандартные чертежи микросхем. (Копии этих документов доступны в Интернете на стойке заказа документов по стандартизации, 700 Robbins Avenue, Building 4D, Philadelphia, PA) 2.2 Порядок приоритетности. В случае противоречия между текстом этого чертежа и цитируемыми здесь ссылками, текст этого чертежа имеет приоритет.Однако ничто в этом документе не отменяет применимые законы и постановления, если не было получено конкретное исключение. 1 / Напряжение выше абсолютного максимального значения может вызвать необратимое повреждение устройства. Продолжительная работа на максимальных уровнях может снизить производительность и повлиять на надежность. 2 / Снижение мощности 8 мВт / C для T A 25 C. 3

4 3. ТРЕБОВАНИЯ 3.1 Требования к предмету. Требования к отдельным элементам для устройств классов Q и V должны соответствовать MIL-PRF и как указано в данном документе или как изменено в плане управления качеством (QM) производителя устройства. Изменение плана управления качеством не должно влиять на форму, соответствие или функции, описанные в данном документе. Требования к отдельным элементам для устройств класса M должны соответствовать стандарту MIL-PRF-38535, приложение A для устройств не-jan класса уровня B, и как указано в данном документе. 3.2 Дизайн, конструкция и физические размеры.Конструкция, конструкция и физические размеры должны соответствовать требованиям MIL-PRF и настоящего документа для устройств классов Q и V или MIL-PRF-38535, приложение A и здесь для описания корпуса устройства класса M. Внешний вид корпуса должен соответствовать приведенным в настоящем документе Клеммным соединениям. Клеммные соединения должны соответствовать рисунку Блок-схема. Блок-схема должна быть такой, как указано на рисунке. Электрические характеристики и пределы параметров после облучения. Если здесь не указано иное, электрические рабочие характеристики и пределы параметров после облучения указаны в таблице I и должны применяться во всем диапазоне рабочих температур окружающей среды.3.4 Требования к электрическим испытаниям. Требования к электрическим испытаниям должны соответствовать подгруппам, указанным в таблице IIA. Электрические испытания для каждой подгруппы определены в таблице I. 3.5 Маркировка. Деталь маркируется ПИН-кодом, указанным в п. 1.2. Кроме того, может быть отмечен PIN-код производителя. Для упаковок, на которых маркировка всего ПИН-кода SMD невозможна из-за ограниченного пространства, производитель может не наносить на устройство маркировку «5962-». Для продукта RHA, использующего эту опцию, должно быть указано обозначение RHA.Маркировка устройств классов Q и V должна соответствовать MIL-PRF. Маркировка устройств класса M должна соответствовать стандарту MIL-PRF-38535, приложение А. Знак сертификации / соответствия. Знак сертификации для устройств классов Q и V должен быть «QML» или «Q», как требуется в MIL-PRF. Знак соответствия для класса устройств M должен быть «C», как требуется в MIL-PRF-38535, приложение A. 3.6 Сертификат соответствия. Для устройств классов Q и V требуется сертификат соответствия от производителя, указанного в QML, чтобы обеспечить соответствие требованиям этого чертежа (см. Здесь).Для устройства класса M от производителя требуется сертификат соответствия, чтобы его можно было указать в качестве утвержденного источника питания в MIL-HDBK-103 (см. Здесь). Сертификат соответствия, представленный в DSCC-VA перед включением в список в качестве утвержденного источника поставки для этого чертежа, должен подтверждать, что продукт производителя соответствует для устройств классов Q и V требованиям MIL-PRF и настоящего документа или для устройств класса M, требованиям MIL-PRF-38535, приложение A и здесь. 3.7 Сертификат соответствия.Сертификат соответствия, необходимый для устройств классов Q и V в MIL-PRF или для устройств класса M в MIL-PRF-38535, приложение A, должен быть предоставлен с каждой партией микросхем, представленных на этом чертеже. 3.8 Уведомление об изменении для класса устройств M. Для устройств класса M уведомление в DSCC-VA об изменении продукта (см. П. 6.2 настоящего документа) в отношении устройств, приобретенных для этого чертежа, требуется для любого изменения, которое влияет на этот чертеж. 3.9 Проверка и анализ устройства класса M. Для устройства класса M, DSCC, агент DSCC и приобретающая деятельность сохраняют возможность проверки оборудования производителя и соответствующей необходимой документации.Офшорная документация должна быть доступна на берегу по усмотрению проверяющего. Назначение группы микросхем для класса устройств М. Устройства класса M, описанные на этом чертеже, должны быть в группе микросхем номер 52 (см. MIL-PRF-38535, приложение A). 4

5 ТАБЛИЦА I. Электрические характеристики. Тест Символ Условия 1 / -55 CTA +125 C Группа A подгрупп типа Пределы если не указано иное Мин Макс Единица Ссылка Допуск напряжения ВТВ COLL = 5 В, ТП = +25 CV Ссылка температурный допуск V ТТ V COLL = 5 В 1,2, В Опорный линии регулирования V LN В CC = 2.От 4 В до 24 В, V COLL = 5 В 1,2, мВ Регулировка эталонной нагрузки V LD I COLL = от 10 ма до 50 ма, V COLL = 5 В 1,2, мВ Базовый ток стока I SK 1,2, A Ссылочный источник тока I SC 1,2, усилитель ошибки (EA), входной ток смещения усилителя ошибки (EA), входное напряжение смещения неинвертирующий вход усилителя ошибки (+ ЕА) эксплуатационные ограничения напряжения усилитель ошибки (EA), выходной ток стока ( внутреннее ограничение) Источник выходного тока усилителя ошибки (EA) I IB 1,2, AV OS 1,2, mv V + EA 1,2, VI OSK 1,2, AI OS 1,2, ma Минимальный рабочий ток I CC V CC = 24 В, V COLL = 5 В 1,2, мА Ограничение тока коллектора 2 / ILV COLL = V CC = 24 В, Ref = 1.3 В, ISET = GND 1,2, мА Напряжение насыщения коллектора V SAT I COLL = 20 мА 1,2, В Крутизна 2/3 / gm V CC = от 2,4 В до 24 В, V COLL = 3 В, ISET = GND 4,5, мс Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи усилителя ошибки AVOL 4,5, дБ Ширина полосы усиления усилителя ошибки GBW 4,5,6, МГц 1 / Если не указано иное, TA = TJ, V CC = 15 В, выход на вывод COLL = 2,4 V, а I COLL = 10 мА. 2 / Запрограммированные уравнения крутизны и ограничения тока коллектора указаны в описании контактов ISET. 3 / Измерено как I COLL / V COMP для I COLL = 5–20 мА.5

6 тип 01 Описание корпуса Номер клеммы Обозначение клеммы 1 COLL 2 COMP 3 V CC P Описание Коллектор выходного транзистора с максимальным напряжением 24 В. Этот контакт является выходом усилителя крутизны проводимости. Общий коэффициент усиления по напряжению без обратной связи усилителя крутизны составляет (gm x R L), где gm рассчитано на -140 мс 30 мсек, а R L представляет выходную нагрузку.Выход усилителя ошибки и вход усилителя крутизны. Этот вывод используется для компенсации высокочастотного усиления усилителя ошибки. Это внутреннее напряжение ограничено примерно 2 В. Подключение питания для устройства. Рабочее напряжение от минимального до максимального составляет от 2,4 В до 24 В. Ток покоя обычно составляет 0,5 мА. 4 + EA Неинвертирующий вход усилителя ошибки. 5 REF 6 SENSE Выходной сигнал урезанного прецизионного задания. Он может выдавать или потреблять ток 10 А и при этом поддерживать отклонение выходного сигнала менее 1%.Инвертирующий вывод усилителя ошибки используется как вход измерения напряжения для усилителя ошибки, так и его другая точка компенсации. Усилитель ошибки использует вход SENSE для сравнения с эталонным напряжением 1,3 В. Вывод SENSE также используется для блокировки пониженного напряжения (UVLO). Он предназначен для предотвращения работы микросхемы до тех пор, пока внутренний опорный сигнал не будет смещен должным образом. Пороговое значение составляет приблизительно 1 В. Важно, чтобы после высвобождения UVLO усилитель ошибки мог управлять усилителем крутизны для стабилизации контура.Если конденсатор подключен между выводами SENSE и COMP для создания полюса, он ограничит скорость нарастания усилителя ошибки. Для увеличения пропускной способности и обеспечения запуска при малом токе нагрузки рекомендуется создать ноль вместе с полюсом. Усилитель ошибки должен нарастить 2 В, чтобы усилитель крутизны изначально был включен. 7 GND 8 ISET Опорная и силовая земля для устройства. Земля питания выходного транзистора изолирована на микросхеме от земли подложки, используемой для смещения остальной части устройства.Штырь настройки тока для усилителя крутизны. Крутизна составляет -140 мс, как указано в электрической таблице, если этот вывод заземлен. Если к выводу ISET добавляется сопротивление R L, результирующая новая крутизна (gm) рассчитывается с использованием уравнения: gm = / (R L). Максимальный ток будет приблизительно рассчитан по формуле: I MAX = 0,65 В / (R L). РИСУНОК 1. Клеммные соединения. 6

7 РИСУНОК 2.Блок-схема. 7

8 4. ПРОВЕРКА 4.1 Отбор проб и осмотр. Для устройств классов Q и V процедуры отбора образцов и проверки должны соответствовать MIL-PRF или как изменено в плане управления качеством (QM) производителя устройства. Изменение плана управления качеством не должно влиять на форму, соответствие или функции, описанные в данном документе. Для устройства класса M процедуры отбора образцов и проверки должны соответствовать стандарту MIL-PRF-38535, приложение A.4.2 Скрининг. Для устройств классов Q и V проверка должна проводиться в соответствии со стандартом MIL-PRF-38535 и проводиться на всех устройствах до проверки квалификации и соответствия технологии. Для устройства класса M проверка должна проводиться в соответствии с методом 5004 стандарта MIL-STD-883 и должна проводиться на всех устройствах до проверки соответствия качества. Дополнительные критерии для класса устройств M. a. Испытание на прожиг, метод 1015 стандарта MIL-STD-883. (1) Условия испытаний A, B, C или D. Испытательная схема должна поддерживаться производителем под контролем уровня пересмотра документов и должна быть доступна для деятельности по подготовке или приобретению по запросу.В испытательной схеме должны быть указаны входы, выходы, смещения и рассеиваемая мощность, если это применимо, в соответствии с назначением, указанным в методе 1015 стандарта MIL-STD-883. (2) T A = +125 C, минимум. б. Параметры промежуточных и окончательных электрических испытаний должны быть такими, как указано в таблице IIA настоящего документа. Дополнительные критерии для устройств классов Q и V. a. Продолжительность испытания на обжиг, условия испытания и температура испытания или одобренные альтернативы должны соответствовать плану управления качеством изготовителя устройства в соответствии с MIL-PRF. Цепь испытания на обжиг должен поддерживаться под контролем уровня пересмотра документа со стороны изготовителя устройства. Совет по обзору технологий (TRB) в соответствии с MIL-PRF и должен быть доступен для приобретения или подготовки по запросу.В испытательной схеме должны быть указаны входы, выходы, смещения и рассеиваемая мощность, если это применимо, в соответствии с назначением, указанным в методе 1015 стандарта MIL-STD-883. б. Параметры промежуточных и окончательных электрических испытаний должны соответствовать приведенным в таблице IIA настоящего документа. с. Дополнительная проверка для устройств класса V сверх требований класса Q должна соответствовать стандарту MIL-PRF-38535, приложение B. 4.3 Квалификационная проверка устройств классов Q и V. Квалификационная проверка устройств классов Q и V должна проводиться в соответствии с Проверки MIL-PRF, которые должны быть выполнены, должны быть теми, которые указаны в MIL-PRF и в настоящем документе для проверок групп A, B, C, D и E (см.4.4). 4.4 Проверка соответствия. Проверка соответствия технологии для классов Q и V должна проводиться в соответствии с MIL-PRF, включая проверки групп A, B, C, D и E, и как указано в данном документе. Проверка соответствия качества устройств класса M должна проводиться в соответствии со стандартом MIL-PRF-38535, приложение A, и как указано в данном документе. Проверки, которые должны выполняться для устройства класса M, должны быть теми, которые указаны в методе 5005 стандарта MIL-STD-883 и здесь для проверок групп A, B, C, D и E (см. 4.4.4) Проверка группы A.а. Испытания должны быть такими, как указано в таблице IIA настоящего документа. б. Подгруппы 7, 8, 9, 10 и 11 в таблице I, метод 5005 стандарта MIL-STD-883 должны быть исключены. 8

9 ТАБЛИЦА IIA. Требования к электрическим испытаниям. Требования к испытаниям Промежуточные электрические параметры (см. 4.2) Конечные электрические параметры (см. 4.2) Требования к испытаниям группы A (см. 4.4) Электрические параметры конечной точки группы C (см.4) Электрические параметры конечной точки группы D (см. 4.4) Электрические параметры конечной точки группы E (см. 4.4) Подгруппы (в соответствии с MIL-STD-883, метод 5005, таблица I) Подгруппы класса M (в соответствии с MIL- ПРФ-38535, таблица III) класс Q класс V 1,2,3,4,5,6 1 / 1,2,3,4,5,6 1 / 1,2,3, 1/2 / 4,5 , 6 1,2,3,4,5,6 1,2,3,4,5,6 1,2,3,4,5,6 1,2,3,4,5,6 1,2, 3,4,5,6 1,2,3, 2 / 4,5,6 1,4 1,4 1, / PDA применяется к подгруппе 1. 2 / Пределы дельты, указанные в таблице IIB, должны требоваться там, где это указано, и пределы дельты должны вычисляться со ссылкой на предыдущие электрические параметры конечной точки (см. таблицу I).ТАБЛИЦА IIB. Дельта-параметры испытания на приработку и срок службы. TA = +25 C. 1 / Параметр Обозначение Пределы дельты Минимальный рабочий ток I CC 0,05 мА Входное напряжение смещения усилителя ошибки (EA) V OS 0,4 мВ Входной ток смещения усилителя ошибки (EA) I IB 0,02 A 1 / Разницы выполняются в помещении Температурный контроль группы C. Электрические параметры конечной точки проверки группы C должны быть такими, как указано в таблице IIA настоящего документа. Дополнительные критерии для класса устройств M. Условия испытания на долговечность в устойчивом состоянии, метод 1005 стандарта MIL-STD-883: a.Условия испытаний A, B, C или D. Испытательная схема должна поддерживаться производителем под контролем уровня пересмотра документов и должна быть доступна для подготовительных или приобретающих действий по запросу. В испытательной схеме должны быть указаны входы, выходы, смещения и рассеиваемая мощность, если это применимо, в соответствии с назначением, указанным в методе 1005 стандарта MIL-STD-883. б. T A = +125 C, минимум. с. Продолжительность испытания: 1000 часов, за исключением случаев, разрешенных методом 1005 стандарта MIL-STD

10 Дополнительные критерии для классов устройств Q и V.Продолжительность испытания на долговечность в установившемся режиме, условия испытания и температура испытания или одобренные альтернативы должны быть такими, как указано в плане управления качеством изготовителя устройства в соответствии с MIL-PRF. Испытательная схема должна поддерживаться под контролем уровня пересмотра документа со стороны TRB производителя устройства в в соответствии с MIL-PRF и должны быть доступны для приобретения или подготовки по запросу. В испытательной схеме должны быть указаны входы, выходы, смещения и рассеиваемая мощность, если это применимо, в соответствии с назначением, указанным в методе 1005 проверки MIL-STD Group D.Электрические параметры конечной точки проверки группы D должны быть такими, как указано в таблице IIA настоящего документа Проверка группы E. Проверка группы E требуется только для деталей, предназначенных для маркировки радиационной стойкости (см. 3.5 здесь). а. Электрические параметры конечной точки должны быть такими, как указано в таблице IIA настоящего документа. б. Для устройств классов Q и V устройства или испытательное транспортное средство должны быть подвергнуты испытаниям на радиационную стойкость, как указано в MIL-PRF для тестируемого уровня RHA. Для устройств класса M устройства должны быть подвергнуты испытаниям на радиационную стойкость, как указано в MIL-PRF-38535, приложение A для проверяемого уровня RHA.Все классы устройств должны соответствовать ограничениям электрических параметров конечной точки после облучения, как определено в таблице I при T A = +25 C 5 C, после воздействия для подгрупп, указанных в таблице IIA настоящего документа. 5. УПАКОВКА 5.1 Требования к упаковке. Требования к упаковке должны соответствовать MIL-PRF для устройств классов Q и V или MIL-PRF-38535, приложение A для устройств класса M. 6. ПРИМЕЧАНИЯ 6.1 Использование по назначению. Микросхемы, соответствующие этому чертежу, предназначены для использования в государственных микросхемах (исходное оборудование), в проектных приложениях и в целях логистики. Возможность замены.Микросхемы, представленные на этом чертеже, заменят такое же типовое устройство, на которое распространяется спецификация или чертеж, подготовленный подрядчиком. Возможность замены. Устройства класса Q заменят устройства класса M. 6.2 Контроль конфигурации SMD. Все предлагаемые изменения существующих SMD будут согласованы с пользователями, зарегистрировавшими отдельные документы. Эта координация будет осуществляться с использованием формы DD 1692, Предложение по инженерным изменениям. 6.3 Запись пользователей. Военные и промышленные пользователи должны сообщать Defense Supply Center Columbus (DSCC), когда системное приложение требует управления конфигурацией и какие SMD применимы к этой системе.DSCC будет вести учет пользователей, и этот список будет использоваться для координации и распространения изменений к чертежам. Пользователи чертежей, посвященных микроэлектронным устройствам (FSC 5962), должны обращаться в DSCC-VA, телефон (614). Комментарии. Комментарии к этому рисунку следует направлять в DSCC-VA, Колумбус, Огайо, или по телефону (614). Сокращения, символы и определения. Используемые здесь сокращения, символы и определения определены в MIL-PRF и MIL-HDBK Источники питания Источники питания для устройств классов Q и V.Источники питания для устройств классов Q и V перечислены в QML Поставщики, перечисленные в QML, представили DSCC-VA сертификат соответствия (см. Здесь 3.6) и согласились с этим чертежом Утвержденные источники поставки для класса устройств M. Утвержденные источники поставки для класса M перечислены в MIL-HDBK-103. Поставщики, перечисленные в MIL-HDBK-103, согласились с этим чертежом, и сертификат соответствия (см. П. 3.6) был представлен и принят DSCC-VA. 10

11 ДАТА БЮЛЛЕТЕНЯ: Утвержденные источники поставки для SMD перечислены ниже только для немедленного получения информации и будут добавлены в MIL-HDBK-103 и QML во время следующей редакции.MIL-HDBK-103 и QML будут пересмотрены, чтобы включить добавление или удаление источников. Перечисленные ниже поставщики согласились с этим чертежом, и сертификат соответствия был представлен и принят DSCC-VA. Этот информационный бюллетень заменен следующей датированной версией MIL-HDBK-103, а QML DSCC поддерживает онлайн-базу данных всех текущих источников питания на стандартном чертеже микросхемы PIN 1 / Номер CAGE поставщика Аналогичный PIN 2 / VPA UC19432-SP 1 / Свинцовая отделка, показанная для каждого ПИН-кода, представляющего собой герметичную упаковку, является наиболее доступной от производителя, указанного для этой детали.Если желаемая отделка свинца не указана в списке, обратитесь к поставщику, чтобы определить ее доступность. 2 / Осторожно. Не используйте этот номер для получения товара. Элементы, приобретенные под этим номером, могут не соответствовать требованиям к характеристикам, указанным на этом чертеже. Производитель Номер CAGE Название и адрес поставщика Texas Instruments, Inc. Semiconductor Group 8505 Forest Lane P.O. Box Dallas, TX Контактное лицо: US Highway 75 South P.O. Box 84, M / S 853 Sherman, TX Информация, содержащаяся в данном документе, распространяется только для удобства, и правительство не несет никакой ответственности за любые неточности в информационном бюллетене.

,

Преобразователь тока в напряжение | Аналоговые интегральные схемы |

На главную> аналоговые интегральные схемы> преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение

В этом случае входной ток преобразуется в пропорциональное напряжение. Следовательно, мы можем иметь
Voâ € Iin
∴Vo = S Iin
Где Sâ † ’Константа пропорциональности, которая есть не что иное, как чувствительность преобразователя тока к напряжению.

Чувствительность S задается как отношение выходного напряжения к входному току, которое представляет собой не что иное, как транс-сопротивление, поэтому эту схему также называют усилителем транс-сопротивления.
∴S = Vo / Iin
Рассмотрим следующую схему, как показано ниже.

Используемый вход — это источник тока Is. Поскольку входной ток операционного усилителя равен нулю, такой же ток протекает через резистор обратной связи Rf.
Как видно из рисунка,
Vo = -IS * Rf
∴ Vo∠IS
Здесь чувствительность S = -Rf
Таким образом, выходное напряжение пропорционально входному току. Этот тип схемы более полезен для обнаружения малых токов порядка 2 мкА (например, тока фотодиода).
Столь малое количество токов практически невозможно измерить. В схемах такого типа сначала измеряется выходное напряжение с помощью цифрового мультиметра, а затем из уравнения ниже рассчитывается ток
IS = (- Vo) / Rf

Преобразователь I-V с высокой чувствительностью:
Как объяснено для вышеупомянутой схемы, чувствительность S = -R_f. Чувствительность указанной схемы можно повысить, увеличив сопротивление обратной связи. Таким образом, в цепь обратной связи добавлен резистивный Т-образный участок, как показано ниже.

Входной ток Iin может проходить через сопротивление R; потому что входной ток операционного усилителя равен нулю. Предположим, что напряжение «V» показано на диаграмме выше. Входной ток делится в узле «V», чтобы получить токи I1 и I2, как показано.
Применение KCL в узле ‘V’
Iin = I1 + I2
Подстановка токов
(0-V) / R = (V-0) / R1 + (V-Vo) / R2
(-V) / R = V / R1 + V / R2 -Vo / R2
Vo / R2 = V [1 / R + 1 / R1 + 1 / R2]
∴Vo = VR2 [1 / R + 1 / R1 + 1 / R2]
∴Vo = V [R2 / R + R2 / R1 +1]
Но напряжение узла ‘V’ равно V = -Iin R
∴Vo = -Iin S
Таким образом, ∴ Vo∠Iin

Применения преобразователей тока в напряжение:
1) Фотодиод Измерение тока:
Одним из основных применений преобразователя тока в напряжение является усилитель фотодетектора, как показано ниже.

Фотодиод работает в режиме обратного смещения. К нему приложено напряжение «V».
Из принципиальной схемы
Vo = ID Rf
∴ Vo∠ID

Ток диода рассчитывается следующим образом.
ID = Vo / Rf
ID — ток фотодиода, пропорциональный интенсивности падающего на него света. Этот ток является входным током в схему и рассчитывается, как указано в уравнении выше.
2) Измерение фоторезистора:
Этот тип схем используется для измерения фоторезистора, как показано на принципиальной схеме ниже.

В темноте сопротивление очень большое. По мере увеличения интенсивности света, падающего на фотодиод, сопротивление уменьшается, как показано на графике ниже.

Как упомянуто в приведенном выше приложении, сначала на цифровом мультиметре измеряется выходное напряжение. Из уравнения выхода мы имеем
Vo = IRf
Это уравнение используется для расчета тока I как
I = Vo / Rf
. Ток, протекающий через фоторезистор, также определяется уравнением
I = V / RP
∠´RP = V / I
Таким образом, из приведенного выше уравнения рассчитывается фоторезистор RP.

Устройство масштабирования тока / усилитель тока:
На следующей принципиальной схеме показан базовый усилитель тока. Его еще называют скалером тока.

Как показано на рисунке, в качестве входного сигнала используется источник тока Iin. Неинвертирующий терминал имеет потенциал земли. В цепи обратной связи сформирована резистивная Т-образная секция, как показано на рисунке выше.
Из-за концепции виртуального заземления инвертирующий терминал имеет потенциал земли. Рассмотрим потенциал «V», как показано на рисунке.

Применение KCL в узле ‘V’
Iin = I + IL
∴IL = Iin-I … (1)
Входной ток задается как
Iin = (0-V) / R1 = -V / R1 â € ¦â € ¦. (2)
Ток ‘I’ задается как
I = (V-0) / Rf = V / Rf
∴V = IRf
Подставьте значение ‘ V ‘в уравнении (2), получаем
I = — [R1 / Rf] Iin
. Подставляя этот ток «I» в уравнение (1), мы получаем
∴IL = Iin + [R1 / Rf] Iin
∴ IL = [1 + R1 / Rf] Iin
Где, [1 + R1 / Rf] = â «усиление усилителя / коэффициент масштабирования
Таким образом, путем правильного выбора R1 и Rf входной ток может быть увеличен до требуемого уровень на выходе.

,

No related posts.