Меню

Понижающий стабилизатор с гальванической развязкой



Импульсные стабилизаторы напряжения

В импульсных стабилизаторах (преобразователях) напряжения активный элемент (как правило полевой транзистор) работает в импульсном режиме: регулирующий ключ попеременно то открывается, то закрывается, подавая напряжение питания импульсами на накапливающий энергию элемент. В результате импульсы тока подаются через дроссель (или через трансформатор, в зависимости от топологии конкретного импульсного стабилизатора), который зачастую и выступают элементом, накапливающим, преобразующим, и отдающим энергию в цепь нагрузки.

Импульсы обладают определенными временными параметрами: следуют с определенной частотой и имеют определенную длительность. Данные параметры зависят от величины нагрузки, питаемой в текущий момент от стабилизатора, поскольку именно средний ток дросселя заряжает выходной конденсатор и, по сути, питает подключенную к нему нагрузку.

Импульсные стабилизаторы напряжения

В структуре импульсного стабилизатора можно выделить три главных функциональных узла: ключ, накопитель энергии и цепь управления. Первые два узла образуют силовую часть, которая вместе с третьей составляет законченный контур преобразования напряжения. Иногда ключ может быть выполнен в одном корпусе с цепью управления.

Итак, работа импульсного преобразователя осуществляется благодаря замыканию и размыканию электронного ключа. Когда ключ замкнут, накопитель энергии (дроссель) подключен к источнику питания и накапливает энергию, а когда разомкнут — накопитель отключается от источника и тут же подключается к цепи нагрузки, тогда энергия отдается в конденсатор фильтра и в нагрузку.

В результате на нагрузке действует определенное среднее значение напряжения, которое зависит от длительности и частоты следования управляющих импульсов. Ток зависит от нагрузки, величина которой не должна превышать допустимый для данного преобразователя предел.

Принцип стабилизации выходного напряжения импульсного преобразователя основан на непрерывном сравнении выходного напряжения с опорным, и в зависимости от рассогласования этих напряжений, схема управления автоматически перестраивает соотношение длительностей открытого и закрытого состояний ключа (изменяет ширину управляющих импульсов посредством широтно-импульсной модуляции — ШИМ) либо изменяет частоту следования данных импульсов, сохраняя их длительность постоянной (посредством частотно-импульсной модуляции — ЧИМ). Значение выходного напряжения обычно измеряется на резистивном делителе.

Широко-импульсная модуляция

Допустим, напряжение на выходе под нагрузкой в какой-то момент уменьшилось, стало меньше номинального. В этом случае ШИМ-регулятор автоматически увеличит ширину импульсов, то есть процессы накопления энергии в дросселе станут по длительности больше, и энергии к нагрузке, соответственно, будет передаваться тоже больше. Напряжение на выходе в результате вернется к номиналу.

Частотно-импульсная модуляция

Если стабилизация работает по принципу ЧИМ, то при уменьшении выходного напряжения под нагрузкой, увеличится частота следования импульсов. В итоге к нагрузке будет передаваться больше порций энергии и напряжение сравняется с требуемым номиналом. Здесь уместным будет сказать, что отношение длительности замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого его состояний — это так называемый коэффициент заполнения DC – duty cycle.

Вообще импульсные преобразователи бывают с гальванической развязкой и без гальванической развязки. В рамках данной статьи мы рассмотрим базовые схемы без гальванической развязки: повышающий, понижающий и инвертирующий преобразователи. В формулах Vin-входное напряжение, Vout-выходное напряжение, DC-коэффициент заполнения импульсов.

Читайте также:  317 схема стабилизатора тока

Понижающий преобразователь без гальванической развязки — buck converter или step-down converter

Понижающий преобразователь без гальванической развязки

Ключ Т замыкается. При замыкании ключа диод Д заперт, ток через дроссель L и через нагрузку R начинает увеличиваться. Ключ размыкается. При размыкании ключа ток через дроссель и через нагрузку, хотя и уменьшается, но продолжает течь, так как он не может исчезнуть мгновенно, только теперь цепь замкнута не через ключ, а через диод, который открылся.

Ключ снова замыкается. Если за время пока ключ был разомкнут ток через дроссель не успел упасть до нуля, то теперь он опять увеличивается. Итак, через дроссель и через нагрузку все время действует пульсирующий ток (если бы не было конденсатора). Конденсатор сглаживает пульсации, благодаря чему ток нагрузки получается почти постоянным.

Выходное напряжение в преобразователе такого типа всегда меньше входного, которое здесь практически делится между дросселем и нагрузкой. Его теоретическое значение (для идеального преобразователя — без учета потерь на ключе и на диоде) можно найти по следующей формуле:

Выходное напряжение в преобразователе

Повышающий преобразователь без гальванической развязки — boost converter

Повышающий преобразователь без гальванической развязки

Ключ Т замкнулся. При замыкании ключа диод Д заперт, ток через дроссель L начинает увеличиваться. Ключ размыкается. Ток через дроссель продолжает течь, но теперь через открытый диод, причем напряжение на дросселе складывается с напряжением источника. Постоянное напряжение на нагрузке R поддерживается конденсатором C.

Ключ замыкается, ток дросселя снова нарастает. Выходное напряжение у преобразователя такого типа всегда больше входного, так как напряжение на дросселе прибавляется к напряжению источника. Теоретическое значение выходного напряжения (для идеального преобразователя) можно найти по формуле:

Определение выходного напряжения

Инвертирующий преобразователь без гальванической развязки — buck-boost-converter

Инвертирующий преобразователь без гальванической развязки

Ключ Т замкнулся. Дроссель L накапливает энергию, диод Д заперт. Ключ разомкнулся — дроссель отдает энергию в конденсатор С и в нагрузку R. Выходное напряжение здесь имеет отрицательную полярность. Его величина может быть найдена (для идеального случая) по формуле:

Определение величины выходного напряжения

В отличие от линейных стабилизаторов, импульсные стабилизаторы обладают более высоким КПД в силу меньшего нагрева активных элементов, и потому требуют радиатор меньшей площади. Типичные недостатки импульсных стабилизаторов — наличие импульсных помех в выходных и входных цепях, а также более длительные переходные процессы.

Источник

Гальваническая развязка от сети 220 V из старого бесперебойника

В самом простом случае развязка выглядит, как трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. Поэтому изначально была идея взять какой-нибудь ТС-270 и перемотать. Но заниматься перемоткой не хотелось, да и лишнего трансформатора достаточной мощности под рукой не было. Но как-то на работе попался под руку старый ИБП. Примерно вот такой:

И тут пришла в голову идея сделать развязку на «перевёртышах», т.е. когда два идентичных трансформатора включаются зеркально:

Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течёт и тем лучше, но выбирать не приходилось и я использовал принцип «как есть». Решено было использовать корпус ИБП и трансформатор, который там уже установлен. У китайцев был заказан простенький вольтметр для контроля наличия напряжения на выходе:

Читайте также:  Тяга заднего стабилизатора задней подвески

После того, как второй трансформатор был найден и закреплён, оставалось лишь все соединить.

В итоге имеем конечную схему, по которой соединяем трансформаторы:

И получаем примерно такую картину:

Сначала я выбросил родную плату, но, как оказалось, корпус сильно теряет жёсткость и пришлось вернуть её на место, предварительно выпаяв все детали:

Потом я врезал вольтметр:

Вторичную обмотку на 18 В я использовал для питания подсветки штатного выключателя. В качестве входного предохранителя использовал штатный многоразовый предохранитель ИБП, а для защиты выхода врезал обычный держатель предохранителя.

И, вуаля! Наша развязка в работе:

При подключении на выход лампы накаливания на 100 Вт напряжение на выходе просаживается примерно на 7 Вольт, что для меня более чем удовлетворительно.
По факту этот блок здорово помогает мне и даже не столько при пользовании осциллографом, сколько при ремонте импульсных БП и других устройств, гальванически связанных с сетью.

Источник

Что такое гальваническая развязка, основные виды и принципы работы

Здравствуйте уважаемые посетители моего канала! В этой статье я хочу поговорить с вами о таком немаловажном элементе практически любой электронной схемы, как гальваническая развязка. Расскажу о существующих видах, а также о преимуществах и недостатках. Итак, приступим.

Что такое гальваническая развязка

И начнем мы с вами с определения.

Гальваническая развязка — это выполнение передачи энергии либо определенного сигнала между электрическими цепями, которые не имеют непосредственного контакта.

Так же гальваническая развязка используется для передачи сигналов с максимально возможным уровнем помех, для бесконтактного управления, а также для непосредственной защиты электрооборудования от возможных повреждений и людей от вероятного поражения электрическим током.

Еще необходимо знать, что при таком виде развязки электрические потенциалы разделенных цепей могут существенно разливаться.

По какому принципу работает гальваническая развязка

Для осознания алгоритма работы давайте разберемся в конструкции трансформатора.

yandex.ru

Итак, в трансформаторе первичная обмотка не имеет электрической связи с вторичной обмоткой. То есть попадание электрического тока с первички возможно только в результате пробоя изолирующего материала. Но при этом разность потенциалов на выводах катушек достигает существенных величин.

И получается, если мы вторичную катушку соединим с корпусом устройства (то есть будет соединение с землей), то на аппарате будут отсутствовать паразитные токи, которые несли угрозу обслуживающему персоналу.

Существующие виды гальванических развязок

Существует несколько способов выполнить такое разделение. Вот о них и поговорим более подробно:

1. Индуктивная (она же трансформаторная) развязка. Для реализации подобного варианта развязки потребуется использовать магнитоиндукционный элемент (трансформатор). В данном случае сердечник может и не использоваться.

Читайте также:  Стойки стабилизатора фирма trw

yandex.ru

При этом для подобной развязки в основном используют трансформаторы с коэффициентом равным «1». И «первичка» подсоединяется к источнику сигнала, а «вторичка» к приемнику. И величина напряжения на приемнике имеет прямую зависимость от напряжения на источнике. К минусам такого варианта можно отнести следующие моменты:

— Размеры такого девайса не позволяют производить миниатюрные изделия, что в современных реалиях очень большой минус.

— Частотная модуляция гальванической развязки накладывает жесткие ограничения на частоту пропускания.

— Помехи входного сигнала существенно снижают качество выходного сигнала.

— Такая развязка функционирует исключительно в сетях с переменным напряжением.

Оптоэлектронная развязка

Развитие электроники и полупроводниковых элементов позволило создать принципиально новые развязки, основанные на использовании оптоэлектронных узлов. Основными элементами таких изделий являются оптроны (оптопары) реализованные на основе тиристоров, диодов, транзисторов и других подобных компонентов, обладающих повышенной чувствительностью к свету.

yandex.ru

Причем в оптической части схемы, которая связывает приемную и передающую часть, в роли переносчика сигнала выступает свет. Нейтральность фотонов позволяет реализовать электрическую развязку входной и выходной сети. И так же выполнить согласование цепи с разными сопротивлениями на входе и выходе.

Оптическая пара выполнена из следующих компонентов: источника света, светопроводящей среды и непосредственного приемника света, где как раз и происходит преобразование светового потока в электрический импульс (сигнал). Причем величина сопротивления входа и выхода в оптроне может иметь величину в десятки Мом.

yandex.ru

Принцип работы оптоэлектронной развязки заключен в следующем: на светодиод поступает входной сигнал, что побуждает светодиод к испусканию света, который через проводящую среду попадает на фототранзистор, на электродах которого формируется перепад напряжения либо же импульс тока. Таким образом, выполняется гальваническая развязка цепей, которые имеют связь со светодиодом с одного края и связь с фототранзистором с другого.

Несомненными преимуществами данного вида гальванической развязки считаются: достаточно скромные размеры готового элемента (что позволяет использовать их в микроэлектронике) и отсутствие помех (наводок) от приемника, что позволяет модулировать сигналы достаточно широкого диапазона частот.

Диодная оптопара

yandex.ru

В данном варианте гальванической развязки источником света является светодиод, а приемником выступает фотодиод. Принцип работы таков: когда нужно передать сигнал на светодиод подается напряжение. Излученный светодиодом световой поток попадает на фотодиод, в результате чего фотодиод открывается и пропускает ток.

Подобная пара может использоваться вместо ключа и функционировать с сигналами частотой до нескольких десятком МГц.

Главным недостатком такого варианта развязки является невозможность управления большими токами без использования дополнительных элементов. Кроме этого КПД такого элемента достаточно низок.

yandex.ru

На этом я хочу прервать повествование о гальванической развязке. Если вам понравилась статья, тогда оцените ее лайком. В следующей части будут рассмотрены: емкостная гальваническая развязка, электромеханическая развязка, а также поговорим о задачах гальванической развязки и главных ее недостатках. Спасибо за ваше внимание!

Источник