Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы. Подборка схем импульсных преобразователей напряжения DC-DC Повышающие преобразователи напряжения
Это преобразователь питания, выдающий выходное напряжение, которое больше входного. Как и у обычных стабилизаторов, у повышающего выходное напряжение не зависит от входного.
Пример использования
Питание Arduino от 2 батареек
Для того, чтобы запитать Arduino от 2 батареек АА или ААА, необходимо:
Подключить отсек с батарейками к Vin стабилизатора
Подключить к Vout вольтметр
Поворотом триммера выставить 5 вольт на Vout, ориентируясь на показания вольтметра
Отключить вольтметр и соединить Vout стабилизатора с пинами 5V и GND на Arduino
После этого вне зависимости от уровня заряда батарей, плата будет получать ровные, стабильные 5 вольт.
Эффективность
Стабилизатор не является источником энергии, поэтому мощность на его выходе всегда не больше мощности на входе. В действительности формула такая: .
где K - коэффициент полезного действия, - мощность. Для нашего модуля K = 0,8…0,9. Ток, который может быть получен на выходе, будет не более 
.
Уменьшение потребляемого тока
На плате предусмотрен светодиод, показывающий наличие напряжения на выходе. Это напряжение может достигать 28 В. Чтобы светодиод не сгорел от такого напряжения, собрана схема, поддерживающая ток на светодиоде постоянным вне зависимости от напряжения.
Эта схема потребляет ток равный . Например при выходе 5 В, она потребляет 5 мА. С таким током трудно делать долгоживущие автономные устройства. Но можно выломать или отпаять светодиод и транзистор обозначенные на чертеже, и холостой ток снизится до 0,5 мА.
Исходные данные: мотор-редуктор рабочее напряжение у которого 5 Вольт при токе 1 А и микроконтроллер ESP-8266 с чувствительным на изменение рабочим напряжением питания 3,3 Вольт и с пиковым током до 600 миллиампер. Все это необходимо учесть и запитать от одной аккумуляторной литий-ионной батареи 18650 напряжением 2,8 -4,2 Вольт.
Собираем схему приведенную ниже: аккумулятор литий-ионный 18650 напряжением 2К,8 -4,2 Вольт без внутренней схемы зарядного устройства -> присоединяем модуль на микросхеме TP4056 предназначенный для зарядки литий-ионных аккумуляторов с функцией ограничения разряда аккумулятора до 2,8 Вольт и защитой от короткого замыкания (не забываем что этот модуль запускается при включенном аккумуляторе и кратковременной подачи питания 5 Вольт на вход модуля от USB зарядного устройства, это позволяет не использовать выключатель питания, ток разряда в ждущем режиме не очень большой и при долгом не использования всего устройства оно само выключиться при падении напряжения на аккумуляторе ниже 2,8 Вольт)
К модулю TP4056 подключаем модуль на микросхеме MT3608 — повышающий DC-DC (постоянного в постоянный ток) стабилизатор и преобразователь напряжения с 2,8 -4,2 Вольт аккумулятора до стабильных 5 Вольт 2 Ампера — питания мотор-редуктора.
Параллельно к выходу модуля MT3608 подключаем понижающий DC-DC стабилизатор-преобразователь на микросхеме MP1584 EN предназначенный для стабильного питания 3,3 Вольта 1 Ампер микропроцессора ESP8266.
Стабильная работа ESP8266 очень зависит от стабильности напряжения питания. Перед подключением последовательно модулей DC-DC стабилизаторов-преобразователей не забудьте настроить переменными сопротивлениями нужное напряжение, поставьте конденсатор параллельно клеммам мотор-редуктора что бы тот не создавал высокочастотных помех работе микропроцессору ESP8266.
Как видим из показаний мультиметра при присоединении мотор-редуктора напряжение питания микроконтроллера ESP8266 НЕ ИЗМЕНИЛОСЬ!
Зачем нужен СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ. Как использовать стабилизаторы напряжения
Знакомство со стабилитронами, расчет параметрического стабилизатора; использование интегральных стабилизаторов; конструкция простого тестера стабилитронов и другое.
AMS1117 Технический паспорт
| Наименование | AMS1117 |  Kexin Промышленные |
||
| Описание | Линейный регулятор напряжения DC-DC с малым внутренним падением напряжения, выход 800мА, 3.3В, SOT-223
С управляемым или фиксированным режимом регулирования |
|||
| AMS1117 Технический паспорт PDF (datasheet) : | ||||
|
||||
RT9013 Технический паспорт
| Наименование |  Richtek технологии |
|||
| Описание | Стабилизатор-преобразователь на нагрузку с током потребления 500мА, с малым падением напряжения, низким уровенем собственных шумов, сверхбыстродействующий, с защитой выхода по току и от короткого замыкания, CMOS LDO . | |||
| RT9013 PDF Технический паспорт (datasheet) : | ||||
|
||||
| Наименование |  Монолитные Power Systems |
|||
| Описание | 3А, 1.5MHz, 28В Step-Down конвертер | |||
| (datasheet) : | ||||
|
||||
**Приобрести можно в магазине Your Cee
| Наименование | Монолитные Power Systems |
|||
| Описание | 3A, от 4.75 Вольт до 23 Вольт, 340KHz, понижающий преобразователь | |||
| MP2307 Спецификация PDF (datasheet) : | ||||
|
||||
*Приобрести можно в магазине Your Cee
LM2596 Технический паспорт
| Наименование |  Во-первых компонентов Международной |
|||
| Описание | Простой понижающий стабилизатор-преобразователь питания 3A с внутренней частотой 150 кГц | |||
| LM2596 Технический паспорт PDF (datasheet) : | ||||
|
||||
Типичное подключение:
MC34063A Технический паспорт
| Наименование | MC34063A |  Крыло Шинг International Group |
| Описание | DC-DC управляемый преобразователь | |
| MC34063A Технический паспорт PDF (datasheet) : | ||
Это устройство, призванное из напряжения одного уровня получить одно или несколько напряжений другого уровня. Иногда это бывает совершенно необходимо в нашей практике, например если мы конструируем устройство с низковольтным питанием от Li-Ion аккумулятора а в схеме этого устройства есть операционные усилители, требующие питания от двухполярного источника
∓
15В. Или другой пример. Предположим нам нужно питать устройство на микроконтроллере с номинальным напряжением 5 вольт от литий ионного аккумулятора. В этом и подобных случаях на разработчику приходится использовать преобразователи постоянного напряжения.
В этой статье речь пойдет об импульсных преобразователях, имеющих очевидные преимущества, главное из которых - высокий КПД. Импульсные преобразователи нпаряжения - это очень широкий класс устройств. Они могут быть стабилизированные или нестабилизированные, с гальванической развязкой входа от выхода или без таковой. также преобразователи можно разделить на повышающие, понижающие и инвертирующие (например преобразователь, который, питаясь от напряжения +5В дает на выходе напряжение -5В)
Сейчас производители электронных компонентов выпускают большой ряд специальных микросхем для использования в приложениях DC-DC. Преобразователи, собранные на таких чипах имеют стабильные характеристики и высокую надежность. тем не менее импульсный преобразователь можно собрать и на обычных дискретных транзисторах. В этой статье приводятся несколько очень простых схем, которые можно использовать для решения несложных конструкторских задач.
Очень распространенная микросхема MAX232 служит для преобразования интерфейса UART в сигналы стандарта интерфейса RS232. В составе этой микросхемы уже есть встроенные преобразователи напряжения, которые мы можем использовать в своих корыстных целях.
Схема 1. Необычное использование микросхемы MAX232
такой преобразователь может обеспечить напряжение ∓ 9В при небольшом токе 5..8 мА. Такой преобразователь можно использовать для питания одного - двух операционных усилителей. основное преимущество - это простота. Целесообразно применять эту схему если что-то нужно сделать быстро, а под рукой нет ничего кроме микросхемы MAX232
Схема 2. Простой нестабилизированный преобразователь на двух транзисторах
Одна из самых простых схем. параметры такого преобразователя зависят от параметров используемых транзисторов, частоты преобразования и характеристик трансформатора. Схема, изображенная на рисунке работает на частоте около 50 кГц.
Трансформатор T1 - самодельный. Его можно намотать на ферритовом кольце из материала 2000НМ размером 10х6х4. первичная обмотка состоит из 20 витков с отводом от середины. Вторичная - 140 витков также с отводом от середины. Диаметр провода - не менее 0.2 мм. Транзисторы можно заменить на BC546 или другие. если к преобразователю не подключена нагрузка, он практически не потребляет ток от источника питания. В этом одно из его преимуществ (кроме простоты).
Схема 3. Простой нестабилизированный преобразователь - мультивибратор.
Следующая практическая схема - это двухтактный преобразователь на четырех транзисторах. сердцем схемы является обычный мультивибратор на двух транзисторах VT1 и VT2.
Драйверами для обмоток импульсного трансформатора служат транзисторы VT3 и VT4. Ко вторичной обмотке импульсного трансформатора подключен однополупериодный выпрямитель на диоде VD3. Пульсации выходного напряжения сглаживаются конденсатором C3. Выходное напряжение этого преобразователя можно менять в широких пределах изменением числа витков вторичной обмотки трансформатора.
Схема 4. Стабилизированный преобразователь на двух транзисторах.
Интересная схема, позволяющая питать от низковольтного источника (например от одного щелочного элемента 1.5 В.) например, небольшое устройство на микроконтроллере, требующем питания 5 В. Схема пытается поддерживать на выходе постоянное напряжение около 4.7 В. Сигнал обратной связи снимается с резистора R2 и подается на базу первого транзистора VT1. трансформатор Т1 можно намотать на ферритовом кольце диаметром 7 мм. Обе обмотки одинаковые, по 20 витков провода диаметром 0.3 мм. Можно намотать обмотки в два провода. При подключении необходимо учитывать начало и конец обмоток. Если ошибиться, то преобразователь не заработает. В этом случае поменяйте местам провода одной из обмоток. Катушка L1 - любой дроссель с индуктивностью в районе 10 мкГн. Дроссель можно использовать промышленный или намотать самому. Измерить индуктивность можно с помощью вот этого недорогого прибора . Дроссель совместно с конденсатором C3 сглаживает пульсации выходного напряжения.
Этот довольно качественный и удобный преобразователь построен на основе специализированной микросхемы от компании MAXIM. Можно применить для получения напряжения +12 вольт в устройстве, работающем от единственного источника питания с напряжением от 3 до 5 вольт. Дроссель L1 можно намотать на небольшом ферритовом кольце или на маленьком ферритовом стержне. Индуктивность катушек удобно измерять вот эти приборчиком . Схема обеспечивает на выходе ток 120 мА. Микросхему MAX734 .
Схема 5. Очень простой преобразователь на специализированном чипе.
Еще один DC-DC преобразователь с использованием микросхемы от MAXIM. Главное преимущество - исключительная простота и неприхотливость этой схемы. В устройстве всего 4 детали, включая микросхему МАХ631 . Главное и очевидное предназначение такого преобразователя - питание схемы, рассчитанной на 5 В. от источника с более низким напряжением 3.2 вольта. Например от одного Li-Ion аккумулятора.
Схема 6. Стабилизированный DC-DC преобразователь с двухполярным выходом
∓
12 В
Эта очень полезная схема может пригодиться если в вашей конструкции есть только один источник питания 4..5 вольт, но вам необходимо использовать компоненты, требующие двухполярного питания. например операционные усилители (ОУ). Сердцем преобразователя является микросхема LM2587-12. Импульсный трансформатор можно реализовать на ферритовом кольце или на броневом сердечнике. Индуктивность первичной обмотки должна быть около 22 мкГ (измерить можно этим прибором), а отношение чисел витков первичной обмотки к вторичным = 1:2.5. То есть, например, индуктивность 22 мкГ на сердечнике который есть у вас в наличии получается при числе витков 50. Тогда число витков каждой из вторичных обмоток буде 2.5 * 50 = 125
Схема 7. Стабилизированный DC-DC преобразователь на два разных напряжения
Если в вашей конструкции есть цифровые микросхемы с напряжением питания как 5 так и 3.3 В то может пригодиться этот преобразователь. Схема работает от напряжения в районе 3 В и позволяет получить на выходе напряжения 3.3 и 5 В. Ток нагрузки по каждому выходу может достигать 150 мА. Как видим из схемы, в устройстве применяются 2 микросхемы MCP1252 от компании MICROCHIP
Схема 8. DC-DC преобразователь на два разных напряжения на микросхемах компании YCL Elektronics
DC-DC преобразователи на разные напряжения можно собрать на чипах, которые выпускает компания YCL Elektronics. В данном случает это микросхемы DC-102R в канале минус 5 В и DC-203R в канале +12 В. По выходу -5 В ток нагрузки может достигать 360 мА. По выходу +12 В ток меньше - 150 мА.
Схема 9. DC-DC повышающий преобразователь на MAX1724EZK33
Этот DC-DC преобразователь на микросхеме
Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.
Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.
Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.
Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.
Фаза 1
Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.
Фаза 3
И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.
Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.
Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!
Фаза 1
Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.
Фаза 3
Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.
Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:
U ист *I ист = U потр *I потр
Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).
Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.
Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере .
- SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
- DRC — коллектор составного транзистора
- Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
- TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
- CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
- Vcc — Питание схемы
- GND — Земля
Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:
Вытравил, спаял…
Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.
