Схема повышения напряжения постоянного тока: Как повысить напряжение постоянного и переменного тока

Как повысить напряжение постоянного и переменного тока

Чтобы питать электроприборы, нужно обеспечить номинальные значения параметров электропитания, заявленные в их документации. Безусловно большинство современных электроприборов работают от сети переменного тока 220 Вольт, но бывает так, что нужно обеспечить питание приборов для других стран, где напряжение другое или запитать что-нибудь от бортовой сети автомобиля. В этой статье мы рассмотрим, как повысить напряжение постоянного и переменного тока и что для этого нужно.

• Повышение переменного напряжения
• Цепи постоянного тока

Повышение переменного напряжения

Повысить переменное напряжение можно двумя способами – использовать трансформатор или автотрансформатор. Основная разница между ними состоит в том, что при использовании трансформатора есть гальваническая развязка между первичной и вторичной цепью, а при использовании автотрансформатора её нет.

Интересно! Гальваническая развязка – это отсутствие электрического контакта между первичной (входной) цепью и вторичной (выходной).

Рассмотрим часто возникающие вопросы. Если вы попали за границы нашей необъятной родины и электросети там отличаются от наших 220 В, например, 110В, то чтобы поднять напряжение со 110 до 220 Вольт нужно использовать трансформатор, например, такой как изображен на рисунке ниже:

Следует сказать о том, что такие трансформаторы можно использовать «в любую сторону». То есть, если в технической документации вашего трансформатора написано «напряжение первичной обмотки 220В, вторичной – 110В» – это не значит, что его нельзя подключить к 110В. Трансформаторы обратимы, и, если на вторичную обмотку подать, те же 110В – на первичной появится 220В или другое повышенное значение, пропорциональные коэффициенту трансформации.

Следующая проблема, с которой многие сталкиваются – низкое напряжение в электросети, особенно часто это наблюдается в частных домах и в гаражах. Проблема связана с плохим состоянием и перегрузкой линий электропередач. Чтобы решить эту проблему – вы можете использовать ЛАТР (лабораторный автотрансформатор). Большинство современных моделей могут как понижать, так и плавно повышать параметры сети.

Схема его изображена на лицевой панели, а на объяснениях принципа действия мы останавливаться не будем. ЛАТРы продаются разных мощностей, тот что на рисунке примерно на 250-500 ВА (вольт-амперы). На практике встречаются модели до нескольких киловатт. Такой способ подходит для подачи номинальных 220 Вольт на конкретный электроприбор.

Если вам нужно дёшево поднять напряжение во всем доме, ваш выбор — релейный стабилизатор. Они также продаются с учетом разных мощностей и модельный ряд подходит для большинства типовых случаев (3-15 кВт). Устройство основано также на автотрансформаторе. О том, как выбрать стабилизатор напряжения для дома, мы рассказали в статье, на которую сослались.

Цепи постоянного тока

Всем известно, что на постоянном токе трансформаторы не работают, тогда как в таких случаях повысить напряжение? В большинстве случаев постоянку повышают с помощью дросселя, полевого или биполярного транзистора и ШИМ-контроллера. Другими словами, это называется бестрансформаторный преобразователь напряжения. Если эти три основных элемента соединить как показано на рисунке ниже и на базу транзистора подавать ШИМ сигнал, то его выходное напряжение повысится в Ku раз.

Ku=1/(1-D)

Также рассмотрим типовые ситуации.

Допустим вы хотите сделать подсветку клавиатуры с помощью небольшого отрезка светодиодной ленты. Для этого вполне хватит мощности зарядного от смартфона (5-15 Вт), но проблема в том, что его выходное напряжение составляет 5 Вольт, а распространенные типы светодиодных лент работают от 12 В.

Тогда как повысить напряжение на зарядном устройстве? Проще всего повысить с помощью такого устройства как «dc-dc boost converter» или «импульсный повышающий преобразователь постоянного напряжения».

Такие устройства позволяют повысить напряжение с 5 до 12 Вольт, и продаются как с фиксированной величиной, так и регулируемые, что позволит в большинстве случаев поднять с 12 до 24 и даже до 36 Вольт. Но учтите, что выходной ток ограничен самым слабым элементом цепи, в обсуждаемой ситуации – током на зарядном устройстве.

При использовании указанной платы выходной ток будет меньше входного во столько раз, во сколько поднялось напряжение на выходе, без учета КПД преобразователя (он в районе 80-95%).

Подобные устройства строят на базе микросхем MT3608, LM2577, XL6009. С их помощью можно сделать устройство для проверки реле регулятора не на генераторе автомобиля, а на рабочем столе, регулируя значения с 12 до 14 Вольт. Ниже вы видите видео-тест такого устройства.

Интересно! Любители самоделок часто задают вопрос «как повысить напряжение с 3,7 В до 5 В, чтобы сделать Power bank на литиевых аккумуляторах своими руками?». Ответ прост – использовать плату-преобразователь FP6291.

На подобных платах с помощью шелкографии указано назначение контактных площадок для подключения, поэтому схема вам не понадобится.

Также часто возникающая ситуация — необходимость подключить к автомобильному аккумулятору 220В прибор, а бывает что за городом очень нужно получить 220В. Если бензинового генератора у вас нет – используйте автомобильный аккумулятор и инвертор, чтобы повысить напряжение с 12 до 220 Вольт. Модель мощностью в 1 кВт можно купить за 35 долларов – это недорогой и проверенный способ подключить 220В дрель, болгарку, котёл или холодильник к 12В аккумулятору.

Если вы водитель грузовика, вам не подойдёт именно указанный выше инвертор, из-за того, что в вашей бортовой сети скорее всего 24 Вольта. Если вам нужно поднять напряжение с 24В до 220В – то обратите на это внимание при покупке инвертора.

Хотя стоит отметить, что есть универсальные преобразователи, которые могут работать и от 12, и от 24 вольт.

В случаях, когда нужно получить высокое напряжение, например, поднять с 220 до 1000В, можно использовать специальный умножитель. Его типовая схема изображена ниже. Он состоит из диодов и конденсаторов. Вы получите на выходе постоянный ток, учтите это. Это удвоитель Латура-Делона-Гренашера:

А так выглядит схема несимметричного умножителя (Кокрофта-Уолтона).

С его помощью вы можете повысить напряжение в нужное число раз. Это устройство строится каскадами, от числа которых зависит сколько вольт на выходе вы получите. В следующем видео описан принцип работы умножителя.

Кроме этих схем существует еще множество других, ниже изображены схемы учетвертителя, 6- и 8-кратных умножителей, которые используются для повышения напряжения:

В заключении хотелось бы напомнить о технике безопасности. При подключении трансформаторов, автотрансформаторов, а также работе с инверторами и умножителями будьте аккуратны. Не касайтесь токоведущихчастей голыми руками. Подключения следует выполнять при отключенном питании от устройства, а также избегать их работы во влажных помещениях с возможностью попадания воды или брызг. Также не превышайте заявленный производителем ток трансформатора, преобразователя или блока питания, если не хотите, чтобы он у вас сгорел. Надеемся, предоставленные советы помогут вам повысить напряжение до нужного значения! Если возникнут вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Наверняка вы не знаете:

• Что такое линейное и фазное напряжение
• Как сделать 380В из 220
• Что такое ограничитель перенапряжения

тест преобразователя на конденсаторах, обзор схемы и характеристик стабилизатора с RU7088R

Для чего он нужен с такими параметрами? В принципе можно и обойтись без него, повышающий трансформатор и диодный мост могут заменить этот прибор запросто. Но небольшие габариты и возможность регулировки выходного напряжения делают этот девайс достойным того, чтобы обратить на него внимание. Утилитарное предназначение с сайта продавца:

1. Зарядка конденсаторов питания электромагнитных пушек.

2. Питание электронных устройств.

3. Испытания высоким напряжением

4. Борьба с хомяками

В данном обзоре я рассмотрю его применение в тестах китайских безродных электролитических конденсаторов.

Габариты: 60х50х22

Вес: 55 грамм

Сборка-пайка на четверочку, флюс кое-где не отмыт.

Силовой Переключающий элемент — RU7088R — MOSFET, 70V, 80A

Остальные микросхемы с заботливо потертыми производителем маркировками.

Вход защищен от переплюсовки автомобильным предохранителем на 10А.

Выходная мощность 40 Ватт (Пиковая 70 Ватт)

Максимальный ток 0,2 А

Ток покоя: 15 мА

Рабочая частота: 75 кГц

Алгоритм работы: Подаем на вход 8-32 В DC, подстроечным резистором выставляем требуемое напряжение на выходе. (изменение входного напряжения в заданном диапазоне не влияет на выходное!)

По факту при 8 вольтах преобразователь работает нестабильно. При 10 В нестабильно работает под нагрузкой. Нормально работает от 12 В и выше.

Выход Мин и Макс:

Перед тем, как перейти к экспериментам, напоминаю — на разных частях платы присутствует высокое напряжение, которое опасно для ваших любимых дорогостоящих приборов!

Купил я как-то парочку конденсаторов на Алиэкспресс и написал про них обзор: Алюминиевый электролитический конденсатор 2200 мкФ 450 В Hitachi или «Hitachi»

Кому лень ходить по ссылкам: при низковольтных измерениях – отличные конденсаторы. Но аборигены mysku.club методом запугивания убедили меня, что вряд ли они будут работать при высоком напряжении, и красивый взрыв с эффектно разлетающимися конфетти из фольги неизбежен. Я переложил на всякий случай конденсаторы из ящика стола в сейф для хранения оружия и запретил к нему подходить всем, кроме тещи.

Собрал вот такой стенд на лоджии (благо там сейчас ремонт):

Для пущего эффекта разложил все равномерно вокруг конденсатора. Подключил и токоизмерительные клещи, и термопару примотал изолентой к корпусу- я же серьезный исследователь. Камеру засунул в аквабокс.

Подготовка

Экипировался в хоккейную ракушку, маску сварщика, в бандану из противопожарной кошмы (защитил все круглое), примотал к рукам палки для скандинавской ходьбы – манипуляторы, кнопки нажимать. Позвонил в МЧС: «Не спите». «Нет, не спим», — ответили в МЧС. «Это, вообще-то, не вопрос был, а пожелание.»

Все вроде бы готово. Обратил внимание, что ветер стих, смолкли птицы, перестал плакать маленький ребенок за стеной, только несмазанные детские качели внизу заунывно скрипели потревоженные чьей-то беспечной рукой… Хотел перекреститься, но куда-там, чертовы палки…

Включил, наблюдал в щелочку, напряжение росло. На электродах конденсатора, у меня-то нервы железные. За несколько секунд напряжение достигло максимума в 394 В, температура на корпусе электролита не менялась в течении 10 минут. Т. е. конденсатор прошел тест на живучесть. Порадовался, но чувство легкого разочарования осталось…

После выключения питания конденсатор довольно долго разряжается. Ускорение этого процесса с помощью металлического предмета приводит к вспышке, хлопку и порче металлического предмета.

Если не удалось использовать китайский электролит в качестве китайской петарды, придется его использовать по прямому назначению.

Что можно и нужно измерить? Правильно – ток утечки при заданном напряжении. У меня максимально возможное 394 В, на нем и будем мерить.

У идеального конденсатора ток утечки стремится к нулю. В реальности все не так, поэтому смотрим в таблицу и выбираем оттуда значение, которое ток не должен превышать. Для моего конденсатора 2200 мкФ на 394 вольтах не более 5,5 мА.

Схема подключения приборов при измерении:

Методика измерения — замыкаете накоротко амперметр, полностью заряжаете конденсатор, контролируя напряжение вольтметром. После полного заряда размыкаете амперметр – он показывает ток утечки. Если уверенны в своем амперметре, то можете его входы не замыкать, тогда еще и ток заряда посмотрите.

Для испытуемого конденсатора ток утечки в норме. От этого он не стал японским, но его смело можно использовать.

Выводы:

Не знаю, годен ли обозреваемый в качестве источника питания, пульсации я осциллографом не смотрел, но заряжать конденсаторы, пытать шпионов и убивать хомяков данным устройством можно.

Плюсы:

+ работает

+ приличный изменяемый диапазон выходного напряжения

+ есть возможность выбора входного напряжения

Минусы:

— можно предъявить претензии к качеству пайки и отмывки платы. Не критично, но все же.

Если нужен источник высокого напряжения, можно брать.

Повышающие преобразователи

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Понимание принципов работы повышающих преобразователей.
• • Переключающий транзистор
• • Цепь маховика
• Распознайте ограничения по выходному напряжению.
• Распознавание различных источников ввода.
• Понять взаимосвязь между шириной импульса переключения и выходным напряжением.

Повышающий преобразователь

Импульсные источники питания могут использоваться для многих целей, включая преобразователи постоянного тока в постоянный. Часто, хотя источник постоянного тока, такой как батарея, может быть доступен, его доступное напряжение не подходит для питаемой системы. Например, двигатели, используемые для вождения электромобилей, требуют гораздо более высокого напряжения, около 500 В, чем то, которое может быть обеспечено одной батареей. Даже если бы использовались блоки батарей, дополнительный вес и занимаемое пространство были бы слишком велики, чтобы быть практичными. Решение этой проблемы заключается в использовании меньшего количества батарей и повышении доступного напряжения постоянного тока до требуемого уровня с помощью повышающего преобразователя. Другая проблема с батареями, большими или маленькими, заключается в том, что их выходное напряжение меняется по мере того, как израсходован доступный заряд, и в какой-то момент напряжение батареи становится слишком низким для питания питаемой цепи. Однако, если этот низкий выходной уровень можно снова поднять до полезного уровня с помощью повышающего преобразователя, срок службы батареи можно продлить.

Постоянный ток на вход повышающего преобразователя может поступать из многих источников, а также от батарей, например, выпрямленный переменный ток от сети или постоянный ток от солнечных батарей, топливных элементов, динамо-машин и генераторов постоянного тока. Повышающий преобразователь отличается от понижающего преобразователя тем, что его выходное напряжение равно входному напряжению или превышает его. Однако важно помнить, что, поскольку мощность (P) = напряжение (В) x ток (I), при увеличении выходного напряжения доступный выходной ток должен уменьшаться.

Рис. 3.2.1 Базовая схема повышающего преобразователя

На рис. 3.2.1 показана базовая схема повышающего преобразователя. Однако в этом примере переключающим транзистором является силовой МОП-транзистор, и биполярные силовые транзисторы, и МОП-транзисторы используются для переключения мощности, причем выбор определяется током, напряжением, скоростью переключения и соображениями стоимости. Остальные компоненты такие же, как и в понижающем преобразователе, показанном на рис. 3.1.2, за исключением того, что их расположение изменено.

Работа повышающего преобразователя

Рис. 3.2.2 Работа повышающего преобразователя при включении

На рис. 3.2.2 показано действие схемы во время начального высокого периода высокочастотной прямоугольной волны, подаваемой на затвор MOSFET при запуске. В это время полевой МОП-транзистор проводит, создавая короткое замыкание с правой стороны L1 на отрицательную входную клемму питания. Поэтому между положительной и отрицательной клеммами питания через L1 протекает ток, который накапливает энергию в своем магнитном поле. В остальной части цепи ток практически отсутствует, поскольку комбинация D1, C1 и нагрузки представляет собой гораздо более высокий импеданс, чем путь непосредственно через сильно проводящий MOSFET.

Рис. 3.2.3 Путь тока при выключенном МОП-транзисторе

На рис. 3.2.3 показан путь тока во время низкого периода цикла переключения прямоугольной формы. Поскольку полевой МОП-транзистор быстро отключается, внезапное падение тока заставляет L1 создавать противо-ЭДС. в противоположной полярности к напряжению на L1 в течение периода включения, чтобы поддерживать ток. Это приводит к двум напряжениям, напряжению питания V _IN и обратной ЭДС (V _L ) на L1 последовательно друг с другом.

Это более высокое напряжение (V _IN +V _L ), теперь, когда нет пути тока через MOSFET, смещает D1 в прямом направлении. Результирующий ток через D1 заряжает C1 до V _IN + V _L за вычетом небольшого падения прямого напряжения на D1, а также питает нагрузку.

Рис. 3.2.4 Путь тока при включенном МОП-транзисторе

На рис. 3.2.4 показано действие схемы во время включения МОП-транзистора после первоначального запуска. Каждый раз, когда МОП-транзистор проводит ток, катод D1 более положителен, чем его анод, из-за заряда C1. Таким образом, D1 выключается, поэтому выход схемы изолирован от входа, однако нагрузка продолжает питаться напряжением V _IN +V _L от заряда на С1. Несмотря на то, что заряд C1 уходит через нагрузку в течение этого периода, C1 перезаряжается каждый раз, когда MOSFET выключается, поэтому поддерживается почти стабильное выходное напряжение на нагрузке.

Теоретическое выходное напряжение постоянного тока определяется входным напряжением (V _IN ), деленным на 1 минус рабочий цикл (D) сигнала переключения, который будет некоторым числом между 0 и 1 (соответствует от 0 до 100 %). ) и, следовательно, может быть определена по следующей формуле:

Пример:

Если прямоугольная волна переключения имеет период 10 мкс, входное напряжение 9 В и время включения составляет половину периодического времени, т. е. 5 мкс, то выходное напряжение будет:

В _OUT = 9 /(1-0,5) = 9/0,5 = 18 В (минус падение напряжения на выходном диоде)

Поскольку выходное напряжение зависит от рабочего цикла, важно, чтобы он точно контролировался. Например, если коэффициент заполнения увеличился с 0,5 до 0,99, выходное напряжение будет:

В _ВЫХОД = 9/(1- 0,99) = 9/0,01 = 900 В

Однако до того, как будет достигнут этот уровень выходного напряжения, конечно, могут возникнуть серьезные повреждения (и задымление), поэтому на практике если схема специально не рассчитана на очень высокие напряжения, изменения рабочего цикла остаются намного ниже, чем указано в этом примере.

Рис. 3.2.5 Работа повышающего преобразователя

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы начать.

См. пути тока во время периодов включения и выключения переключающего транзистора. Обратите внимание, что работа во время первого периода «Вкл.» отличается от более поздних периодов, поскольку конденсатор (С) не заряжается до конца первого периода «Вкл. ».

Наблюдайте, как магнитное поле вокруг катушки индуктивности растет и разрушается, и наблюдайте за изменением полярности напряжения на L.

Наблюдайте за эффектом пульсаций во включенном и выключенном состояниях переключающего транзистора.

См. входное напряжение и противоэ.д.с. V _L добавить, чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное напряжение.

Нажмите паузу, чтобы зафиксировать видео во включенном или выключенном состоянии.

Нажмите «Воспроизвести», чтобы продолжить воспроизведение видео с точки остановки.

И.К. Повышающий преобразователь

Рис. 3.2.6 Типовой I.C. Повышающий преобразователь (LM27313)

Из-за легкости, с которой повышающие преобразователи могут обеспечивать большие перенапряжения, они почти всегда включают некоторую стабилизацию для управления выходным напряжением, и существует множество ИС. изготовленный для этой цели Типичный пример I.C. повышающий преобразователь показан на рис. 3.2.6, в данном примере это LM27313 от Texas Instruments. Этот чип предназначен для использования в системах с низким энергопотреблением, таких как карманные компьютеры, камеры, мобильные телефоны и устройства GPS.

В этой схеме соответствующая доля выходного напряжения (V _OUT ), зависящая от отношения R2:R3, используется в качестве образца и сравнивается с эталонным напряжением в микросхеме. Это создает напряжение ошибки, которое используется для изменения рабочего цикла импульсного генератора, позволяя получить диапазон автоматически регулируемых добавочных напряжений от 5 В до 28 В.

LM27313 содержит внутренний генератор, работающий на фиксированной частоте около 1,6 МГц. Переключающий транзистор FET также является внутренним и переключает ток через L1 через клемму SW. Обратите также внимание на то, что для D1 используется диод Шоттки с соответствующим номинальным напряжением и током, чтобы минимизировать потери из-за прямого падения напряжения на диоде и обеспечить высокую скорость переключения. И.К. также имеет функцию отключения (SHDN), управляемую внешней логикой, с помощью которой повышающий преобразователь может быть отключен, когда он не требуется, для экономии заряда батареи.

Цепи защиты

Другие функции безопасности, обеспечиваемые I.C. отключаются из-за перегрузки по току, что отключает переключатель цикл за циклом, если обнаруживается слишком большой ток, и средством отключения при перегреве.

Стабильность

Еще одна проблема, стоящая перед разработчиками высокочастотных повышающих преобразователей, связана со стабильностью, поскольку на частотах МГц может возникать как отрицательная, так и положительная обратная связь просто из-за электромагнитных полей, излучаемых между компонентами внутри схемы, особенно там, где компоненты схемы находятся в очень непосредственная близость, как в макетах для поверхностного монтажа. Поэтому C2 добавляется для улучшения стабильности и предотвращения возможных колебаний из-за возникновения нежелательной положительной обратной связи.

Простая схема повышающего преобразователя постоянного тока с использованием микросхемы таймера 555

В этом проекте мы создаем схему повышающего преобразователя с использованием микросхемы таймера 555. Повышающий преобразователь — это неизолированный импульсный источник питания, который используется для повышения напряжения. Другими словами, он дает более высокое выходное напряжение по сравнению с входным напряжением. Схема очень похожа на понижающий преобразователь, который мы разработали для управления двигателем и светодиодной лентой, которая используется для снижения входного напряжения. Повышающие преобразователи находят применение во многих наших повседневных устройствах, это очень распространенные схемы силовой электроники, которые широко используются с солнечными панелями и другими технологиями сбора урожая, и являются одними из самых важных схем в наше время. В этой статье мы узнаем о понижающих преобразователях и разработаем очень простой повышающий преобразователь, используя таймер 555 и IRFZ44N , N-канальный полевой МОП-транзистор. Посмотреть простые и интересные схемы силовой электроники можно здесь.

Работа повышающего преобразователя постоянного тока

Повышающий преобразователь используется для увеличения выходного напряжения за счет уменьшения тока. Это достигается за счет накопления энергии в катушке индуктивности, а поскольку энергия в катушке индуктивности не может измениться мгновенно, поэтому, он начинает накапливать энергию в своем магнитном поле. Ток через индуктор определяется выражением I _{индуктор = V/R}  и, поскольку сопротивление и ток постоянны, единственным значением, которое может измениться, является напряжение. Как показано на рисунке ниже, катушка индуктивности подключена последовательно к источнику напряжения, чтобы постоянно включать и выключать цепь, переключатель подключен параллельно источнику напряжения и катушке индуктивности, для достижения быстрого переключения мы используем МОП-транзистор вместе с драйвером МОП-транзистора. . Цепь подключена к нагрузке и параллельно ей конденсатор. Чтобы остановить ток, текущий обратно от конденсатора, между конденсатором и полевым МОП-транзистором используется диод.

Катушка индуктивности пытается сопротивляться изменению тока, чтобы обеспечить постоянный входной ток, поэтому повышающий преобразователь действует как источник входного постоянного тока, а нагрузка действует как источник постоянного напряжения. Эта схема очень похожа на понижающий преобразователь и иногда называется обратным понижающим преобразователем . N-канальный полевой МОП-транзистор управляется сигналом ШИМ, мы использовали таймер IC 555 для подачи выходного сигнала на МОП-транзистор. Конденсатор используется для хранения заряда и обеспечения постоянного выхода на нагрузку. Схема работает в 2 этапа, в 1 ^{-я ступень} переключатель включен, а на 2-й ступени ^-й переключатель находится в выключенном состоянии.

Этап 1: переключатель включен: режим зарядки

В этом состоянии переключатель MOSFET включен. Используемый нами полевой МОП-транзистор представляет собой N-канальный полевой МОП-транзистор IRFZ44N, контакт затвора которого подключен к контакту 3 таймера IC555. Когда переключатель находится в состоянии ON, он замыкает цепь на катушке индуктивности, и на нее подается напряжение, что приводит к возникновению магнитного поля вокруг нее. Так как он предлагает путь с очень низким сопротивлением, все напряжение проходит через переключатель и возвращается к источнику питания, как это отмечено красной линией на рисунке ниже.

Конденсатор, который ранее был заряжен во время последней стадии, пытается разрядиться от MOSFET, и чтобы остановить это, мы используем диод, чтобы остановить заряд от конденсатора, протекающий в обратном направлении.

Стадия 2: Переключатель выключен: режим разрядки

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, путь зарядки катушки индуктивности не завершен, поэтому полярность катушки индуктивности меняется на противоположную, и магнитное поле вокруг нее разрушается в результате генерируется скачок напряжения, который проходит через диод и заряжает конденсатор. Совокупная энергия катушки индуктивности и источника используется для зарядки конденсатора, а также проходит через нагрузку.

Рабочий цикл:

Общее время цикла переключения называется периодом времени (T), время включения и время выключения переключателя задается T _на и T _на соответственно. Поэтому:

T = T  on  + T  off  

Частота (f ) определяется как —

f = 1 / (T  на  + T  на  ) 

Рабочий цикл (D) определяется общим временем, в течение которого переключатель включен, по отношению к общему периоду времени. Рабочий цикл определяется как:

D = T  на  / T 

Используя закон Кирхгофа для напряжения, мы можем получить установившееся состояние повышающего преобразователя. Здесь мы будем считать, что схема является идеальной схемой и в течение всего процесса не теряется мощность, то есть:

V  in  = V  out  

Теоретически за один полный цикл чистое изменение тока дросселя равно нулю, а отношение входного напряжения V _in к выходному напряжению (V _out ) определяется выражением:

V  in  / V  out   = 1 / (1-D) 

Теоретически 0 < D <1, но если мы назначим 1 в качестве рабочего цикла, то отношение станет бесконечным, чего невозможно достичь.

Расчетное значение индуктора: 

Мы знаем, что средний входной ток (I _avg ) равен среднему току индуктора (I _Lavg ). Таким образом, средний ток дросселя можно рассчитать по формуле:

Пульсирующий ток дросселя обычно составляет 20-40% от среднего выходного тока.

Расчет зарядного конденсатора:

Расчет времени заряда конденсатора T _c  = R*C

Здесь R — сопротивление цепи зарядки, а C — емкость конденсатора. В нашей схеме, приведенной ниже, цепь зарядки следует по пути, отмеченному красным, то есть R3 > D2 > C2.

Для расчета значений входного резистора и конденсатора вы также можете использовать этот онлайн-калькулятор.

Расчет выходного конденсатора:

Выбор компонентов

Я разработал схему на Eschema, KiCad и выполнил расчет необходимых компонентов, используя приведенные выше формулы. Затем я сделал схему на хлебной доске. Принципиальная схема, разработанная в KiCad, приведена ниже.

Необходимые компоненты: 

• 1 x NE555
• 1 x IRFZ44N – МОП-транзистор N-канального типа
• 1 x 100 мкГн, дроссель
• 1 х 1 кОм, резистор
• 2 диода IN4001
• 1 диод IN5822
• 1 х 100 нФ, конденсатор
• 1 конденсатор 1 нФ
• 1 х 50кОм потенциометр
• 2 x 2-контактный разъем (для подключения входа и выхода схемы)

Что следует помнить при выборе компонента:

MOSFET : вам нужно выбрать MOSFET, который сможет выдержать максимальное выходное напряжение, поэтому его напряжение пробоя должно быть выше, чем максимальное выходное напряжение преобразователь.

Диод : Для операций с низким напряжением я использовал IN5822, потому что низкая скорость 1n4007 делает его непригодным для наших операций. Нам нужно выбрать быстрый диод, я попытался использовать диод 1n4007 в качестве выходного диода, но из-за проблем с производительностью я заменил его на более быстрый IN5822.

Работа схемы повышающего преобразователя

Схема использует микросхему 555 в нестабильном режиме в качестве генератора ШИМ, и, следовательно, вся схема основана на том же. Соединения всех 8 контактов указаны ниже:

• Контакт 1 подключен к шине заземления.
• Контакт 2 и контакт 6 с заземлением через конденсатор емкостью 1 нФ.
• Контакт 3 подает выходной сигнал и, таким образом, подключен к затвору IRFZ44N, N-канального МОП-транзистора. Этот вывод отвечает за передачу ШИМ-выхода на затвор MOSFET.
• Контакт 4 необходимо подключить к источнику питания
• Контакт 5 помогает стабилизировать выход, поэтому он подключен к земле через конденсатор 0,01 мкФ. Это также помогает в обеспечении иммунитета против электрических помех.
• Контакт 7 подключен к инвертированному диоду; соединение соединено с положительной шиной через резистор 1K.
• Контакт 8 должен быть подключен к источнику питания.

Основным компонентом любого импульсного источника питания является переключатель, здесь в этой схеме мы используем N-канальный полевой МОП-транзистор IRFZ44N в качестве переключателя. Он управляется слабым сигналом от IC 555, поэтому затвор IRFZ44N подключен к 555IC. Сток обеспечивает отрицательное управление переключением цепи, а исток подключается к земле. Он имеет следующую спецификацию

VDSS = 55 В

RDS(on) = 17,5 мОм

ID = 49 A

Тестирование 555 Цепь повышающего преобразователя постоянного тока на основе таймера

Аккумулятор был заряжен примерно до 3,4 В. Я подключил элемент к повышающему преобразователю, и напряжение на нем показало значение 7,5 В. Изображение выхода на выходе повышающего преобразователя показано ниже.

Чтобы проверить ток, я заменил провод мультиметра на датчик тока (не забудьте выбрать настройку 10 А или 20 А на мультиметре, чтобы защитить его от повреждения). Ток показывал 3,2 А, поэтому эта схема может производить около 30 Вт. Схема работала правильно и смогла повысить напряжение.

Отсутствие обратной связи приводит к падению напряжения в цепи, когда к ней подключена нагрузка. Обратная связь, используемая повышающими преобразователями, гарантирует, что рабочий цикл остается стабильным, даже когда нагрузка подключена. Мы можем легко обеспечить обратную связь, используя микроконтроллер для измерения изменения выходного сигнала, а затем изменяя входное сопротивление, что делает эту схему более полезной и практичной для большинства операций.

Это очень простая, но эффективная схема, которую можно использовать, если вам нужно более высокое напряжение, чем может обеспечить ваш источник напряжения, при этом уменьшая потери мощности в вашей цепи. Эта схема была в состоянии дать мощность более 30 Вт. Тем не менее, для создания схемы рекомендуется использовать как минимум перфорированную плату, поскольку обычные макетные платы предназначены для приложений с низким энергопотреблением.