Для обеспечения таких напряжений производители оборудования разрабатывают подходящие, зачастую весьма сложные, силовые секции или оснащают устройство портом, к которому подключается конец стандартного вилочного блока питания. Также может случиться так, что для корректной работы устройству потребуется несколько напряжений разных значений. В этом случае разработчикам приходится уменьшать или, иногда, увеличивать входное напряжение.
Три способа питания: преобразователь, делитель напряжения, линейный стабилизатор
В принципе, существует три способа питания системы: силовая часть может быть основана на делителе напряжения, линейном стабилизаторе или преобразователе. Каждый из этих методов может использоваться для понижения напряжения, но только преобразователи позволяют его повысить.
Делитель напряжения
Первый способ реализации силового блока, который мы можем рассмотреть, — это использование делителя напряжения. Работа такой системы основана на законе Ома и напряжении на отдельных резисторах. Манипулируя их значениями, мы можем получить любое выходное напряжение, но оно будет ниже входного напряжения. Однако этот метод питания устройства имеет некоторые недостатки. Первый — это эффективность по току: делители напряжения изготавливаются из резисторов, которые обычно имеют очень низкую номинальную мощность. Любой больший ток приведет к очень быстрому перегоранию резисторов. Конечно, можно использовать более мощные резисторы, но это значительно увеличит стоимость системы. Второй существенный недостаток заключается в том, что делитель всегда проектируется относительно определенного входного напряжения. При увеличении или уменьшении входного напряжения выходное напряжение также будет изменяться.
Линейные стабилизаторы
Линейные стабилизаторы напряжения — это второй вариант, позволяющий понизить входное напряжение. Чаще всего выпускаемые в виде трехконтактных компонентов, они довольно распространены в электроэнергетическом оборудовании. Их задача очень проста: поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от входного напряжения. Конечно, следует помнить, что входное напряжение должно быть выше выходного. Эти компоненты отличаются низкой ценой, но имеют проблему с тепловыделением. Любая разница входным напряжением и желаемым выходным напряжением преобразуется в тепло. В результате даже при низких токах компоненты очень быстро нагреваются, что требует использования дополнительных радиаторов, что, естественно, увеличивает стоимость этого решения.
Преобразователи напряжения
Третий вариант реализации системы электропитания — использование преобразователя напряжения. Он состоит из нескольких основных элементов: индуктора, переключающего транзистора, конденсаторов, резисторов и кремниевого диода. Как легко заметить, преобразователь напряжения — гораздо более сложное устройство по сравнению с ранее представленными решениями. Существуют различные типы преобразователей, которые могут увеличивать или уменьшать выходное напряжение относительно входного напряжения.
Почему стоит выбрать преобразователь напряжения?
Преобразователи напряжения характеризуются полезной особенностью при проектировании электронных устройств: эффективностью. Как известно, потери мощности являются основным недостатком линейных регуляторов. В этом отношении преобразователи гораздо экономичнее. Каждый преобразователь напряжения имеет определенный параметр, называемый эффективностью, выражаемый в процентах, который обозначает отношение выходной мощности к мощности, потребляемой от источника. Другими словами, если устройство имеет эффективность 80%, это означает, что 20% теряется в виде тепла, в основном выделяемого транзистором и индуктором. Однако важно знать, что эффективность не является постоянной величиной и зависит от условий работы преобразователя, главным образом от напряжения питания, выходного напряжения и тока нагрузки.
Несмотря на свои преимущества, преобразователи напряжения имеют и недостаток – помехи. Из-за своей конструкции и принципа работы выходное напряжение преобразователя не является идеально постоянным. Это может стать проблемой, если необходимо питать цепь, требующую идеально постоянного напряжения. В этом случае RC-фильтр.
Благодаря своим малым размерам и высокой эффективности, преобразователи напряжения могут использоваться практически везде. При проектировании любого устройства целесообразно выбирать именно этот тип компонентов.
Преобразователь напряжения – как он работает?
Преобразователь напряжения — это повышающее устройство, которое значительно понижает напряжение, включая и выключая его. Этот процесс настолько быстр, что не мешает работе питаемого устройства или системы. В качестве управляющего элемента для этого переключения в DC/DC-преобразователях обычно используется MOSFET-. Однако для появления постоянного напряжения на выходе устройства требуются дополнительные компоненты, такие как конденсаторы и индуктор (дроссель). В то время как конденсаторы действуют исключительно как фильтры, индуктор предназначен для накопления энергии во время работы устройства и её последующего высвобождения. Кроме того, в схему преобразователя необходимо включить кремниевый диод для управления направлением тока.
Преобразователи напряжения: типы
представлено несколько типов преобразователей напряжения , наиболее популярными из которых являются:
- Понижающий (buck) преобразователь – снижает напряжение,
- Повышающий (бустерный) преобразователь – увеличивает напряжение.
- Повышающе-понижающий преобразователь (SEPIC) – устройство, способное повышать и понижать входное напряжение.
Кроме того, здесь есть и другие здания, наиболее интересными из которых являются:
- Прямоходовой преобразователь (ускорительный преобразователь) – тип DC/DC-преобразователя на основе трансформатора. Это одноступенчатый преобразователь – энергия, потребляемая от источника, передается на выход в реальном времени. Благодаря использованию трансформатора, прямоступенчатый источник питания обеспечивает гальваническую развязку входа и выхода. Такие преобразователи используются в импульсных источниках питания мощностью в несколько сотен ватт и менее, а также в инверторных сварочных аппаратах.
- Обратноходовой преобразователь (стоп-преобразователь) – тип DC/DC-преобразователя, в котором также используется гальваническая изоляция входа и выхода. Это двухступенчатое устройство; в первом цикле энергия накапливается в магнитном поле катушки и высвобождается во втором цикле. Такие системы в основном используются в маломощных импульсных источниках питания.
Преобразователь напряжения: на что обратить внимание при выборе?
Выбор подходящего преобразователя в первую очередь зависит от проектируемого оборудования. Если вы разрабатываете небольшое портативное устройство, миниатюрные преобразователи — хороший вариант. Для более крупного оборудования можно использовать преобразователи большего размера со встроенным радиатором для лучшего отвода тепла. Кроме того, необходимо указать тип требуемого преобразователя — повышающий, понижающий или повышающе-понижающий.
Для минимизации потерь энергии целесообразно использовать высокоэффективные преобразователи напряжения. КПД таких устройств обычно составляет от 80% до 95%. Кроме того, стоит помнить и об основных параметрах преобразователя, таких как максимальный выходной ток, диапазон выходного напряжения и диапазон входного напряжения.
