Преобразователь наддува постоянного тока в постоянный

Повышающие преобразователи используются в электронике для генерации выходного напряжения постоянного тока, превышающего входное напряжение постоянного тока, тем самым повышая напряжение питания. Повышающие преобразователи часто используются в блоках питания для белых светодиодов, аккумуляторных батареях для электромобилей и многих других приложениях. Повышающий преобразователь накапливает энергию в магнитном поле индуктора и передает ее на нагрузку с коммутационной цепью. Передача энергии от магнитного поля индуктора позволяет увеличить выходную мощность постоянного тока в одном каскаде. В этом видео будет проиллюстрирована конструкция повышающего преобразователя и исследуется, как изменение условий работы преобразователя влияет на его выходное напряжение.

Эта простая схема повышающего преобразователя состоит из источника входного постоянного напряжения, подключенного к катушке индуктивности, и переключателя. Переключатель может быть биполярным транзистором, МОП-транзистором или, другим подобным электронным устройством, которое поочередно подключает и отключает катушку индуктивности от общей линии питания. Блокирующий диод соединяет катушку индуктивности с конденсатором, который фильтрует пульсации выходного напряжения. Увеличение емкости уменьшает пульсации. При достаточно большой емкости выходом становится постоянное постоянное напряжение. Цифровая последовательность импульсов размыкает или замыкает переключатель. Импульс имеет коэффициент заполнения, который представляет собой отношение времени включения к периоду. Коэффициент полезности может варьироваться от нуля или увеличиваться до единицы, причем время становится все больше и больше. Когда импульс включен, переключатель замыкается, и индуктор подключается по напряжению питания. В этом состоянии клемма индуктора, подключенная к выходу источника питания, имеет более высокий потенциал, а клемма, подключенная к общему блоку, имеет меньший потенциал. Теперь ток протекает через катушку индуктивности, линейно увеличиваясь со временем для получения достаточно высоких частот переключения. В течение этого времени напряжение индуктора определяется как положительное, потому что наклон тока в зависимости от времени положительный. Катушка индуктивности накапливает энергию пропорционально квадрату тока в своем магнитном поле. Чем дольше катушка индуктивности подключена к источнику питания, тем больше увеличивается ток и тем больше энергии он накапливает. Когда переключатель размыкается, ток через индуктор должен продолжать течь в том же направлении. Этот ток также уменьшается, потому что индуктор теперь отдает энергию нагрузке. Напряжение индуктора становится отрицательным, потому что наклон тока в зависимости от времени отрицательный. В результате полярность катушки индуктивности меняется местами и теперь добавляется к входному напряжению «V in», создавая более высокий потенциал на выходе. Цепь в этом состоянии напрямую смещает диод, и катушка индуктивности разряжает ток, часть которого идет на нагрузку, а часть — на конденсатор, который затем накапливает заряд. Когда переключатель снова замыкается, диод приобретает обратное смещение, отключая катушку индуктивности от выхода и предотвращая короткое замыкание нагрузки. За это время катушка индуктивности заряжается и на его месте конденсатор подает ток на нагрузку. Этот цикл зарядки и разрядки конденсатора создает среднее выходное напряжение с некоторой пульсацией. При достаточно высоких частотах переключения время заряда и разряда конденсатора короткое, а выходное напряжение достигает устойчивого состояния с относительно небольшими пульсациями. Этот цикл переключения повторяется бесконечно и является основой работы повышающего преобразователя. В идеале среднее выходное напряжение увеличивается с увеличением коэффициента заполнения, и коэффициент заполнения единицы генерирует бесконечное напряжение. Однако паразитные элементы и сопротивления в преобразователе повышения ограничивают полезные значения D максимум примерно 0,7 или 0,8. Если D достаточно велико, паразитные эффекты доминируют в работе цепи, и выходное напряжение снижается, даже когда D продолжает расти. В следующих экспериментах мы изучим, как повышающий преобразователь повышает напряжение в режиме непрерывной проводимости, также называемом CCM, в условиях, когда катушка индуктивности постоянно работает с ненулевым током.

Выходное напряжение в этом эксперименте ограничено 50 вольт постоянного тока или меньше. Используйте только указанные рабочие циклы, частоты, входные напряжения и нагрузки. В этих экспериментах используется плата HiRel Systems Power Pole Board, предназначенная для экспериментов с различными топологиями цепей преобразователей постоянного тока. При выключенном выключателе подачи сигнала S90 подключите сигнальный источник питания +/- 12 вольт к разъему J90. Установите перемычки выбора ШИМ J62 и J63 в положение разомкнутого контура. Отрегулируйте блок питания постоянного тока на положительные 10 вольт, но не подключайте выход блока питания к плате. Затем соберите схему, как показано на рисунке, с нижним МОП-транзистором, верхним диодом и магнитной платой BB. Запишите значение катушки индуктивности на магнитной доске BB. Нагрузочный резистор представляет собой потенциометр мощности. Используйте мультиметр для измерения его сопротивления, регулируя его до 20 Ом. Затем подключите потенциометр между клеммами V1+ и COM. Установите переключатель селектора банка S30 следующим образом: ШИМ к нижнему MOSFET, используйте бортовой ШИМ и выключите нагрузку. Подсоедините дифференциальный пробник осциллографа между клеммой 16, которая является затвором нижнего МОП-транзистора, и клеммой 12, которая является источником. Включите переключатель S90. Последовательность импульсов, приводящая в действие МОП-транзистор, должна появиться на экране осциллографа. Выберите временную ось осциллографа, чтобы отобразить несколько периодов этой формы волны. Установите потенциометр регулировки частоты RV60 на получение частоты переключения 100 килогерц. Установите коэффициент заполнения потенциометра RV64 таким образом, чтобы импульсы имели время включения в одну микросекунду, что соответствует коэффициенту заполнения 0,1.

Подключите блок питания постоянного тока к входным клеммам V2+ и COM. Для измерения тока катушки индуктивности подключите дифференциальный щуп между клеммами CS5 и COM. Чтобы измерить напряжение на нагрузочном резисторе RL, подключите другой дифференциальный пробник между клеммами V1+ и COM. Выходное напряжение должно представлять собой треугольную волну. Восходящий подъем происходит, когда переключатель повышающего преобразователя разомкнут, а индуктор передает энергию нагрузке. Нисходящие нарастания возникают, когда переключатель замкнут, индуктор отключен от выхода, а конденсатор подает энергию на нагрузку. Ток индуктивности представляет собой треугольную волну, которая линейно увеличивается в течение времени начала импульсной последовательности, а затем линейно снижается в течение выключенного времени. Смещение — это средний ток. Используя встроенные в осциллограф измерительные функции, измерьте среднее значение выходного напряжения и среднее значение тока катушки индуктивности. Повторите эти действия с входным источником питания постоянного тока, установленным на напряжение 8, 12 и 14 В. При фиксированном коэффициенте заполнения при увеличении входного напряжения выходное напряжение идеального повышающего преобразователя должно увеличиваться пропорционально.

В этой части эксперимента измеряется коэффициент заполнения последовательности импульсов, а не ток индуктора. Соедините щупы осциллографа между клеммами 16 и 12, которые являются затвором и источником нижнего МОП-транзистора соответственно. Подключите входной блок питания постоянного тока к клеммам V2+ и COM. Как и раньше, выходное напряжение представляет собой треугольную волну, возникающую в результате того, что катушки индуктивности и конденсаторы попеременно подают ток на нагрузку. Напряжение источника затвора МОП-транзистора представляет собой цифровую последовательность импульсов с частотой 100 килогерц, периодом 10 микросекунд и временем включения одной микросекунды. Измерьте среднее значение выходного напряжения и время включения затвора к напряжению источника, а также показания входного тока и напряжения от источника питания постоянного тока. Повторите этот тест после регулировки коэффициента заполнения потенциометра RV64 таким образом, чтобы импульсный поток имел время включения двух, четырех и шести микросекунд, что соответствует коэффициентам заполнения 0,2, 0,4 и 0,6 соответственно.

По мере увеличения коэффициента заполнения D выходное напряжение повышающего преобразователя также увеличивается. В идеале, если D имеет значение 0,2, то входное напряжение 10 вольт генерирует выходное напряжение около 12,5 вольт. Если D равно 0,4, то выходное напряжение составит около 16,6 вольт. Если D равен 0,6, то выходное напряжение составит около 25 вольт. Как правило, выходное напряжение меньше, чем ожидалось от идеального соотношения, потому что паразитные элементы создают неидеальные падения напряжения и неучтенные потери энергии. Когда коэффициент заполнения приближается к единице, теоретическое выходное напряжение становится бесконечно большим. В действительности выходное напряжение ограничено примерно в три или четыре раза входным напряжением, и влияние паразитных и неидеальных компонентов приводит к снижению выходного напряжения после того, как D становится достаточно высоким.

Повышающие преобразователи генерируют выходное напряжение, превышающее входное напряжение, и во многих приложениях они используются для повышения гибкости при выборе источников питания. Напряжение от солнечной панели меняется в зависимости от положения солнца, погодных условий и тени. Повышающие преобразователи обычно используются для увеличения переменной выходной мощности массива солнечных панелей для обеспечения постоянного напряжения для подачи в электрическую сеть. Системы с питанием от батареек часто используются для питания устройств без использования кабеля питания. Для достижения необходимого более высокого выходного напряжения аккумуляторные элементы часто штабелируются. Это может занять много места, если для достижения желаемого выхода требуется много ячеек. Вместо этого повышающие преобразователи используются для повышения напряжения при одновременной экономии места.

Вы только что посмотрели «Введение Юпитера в преобразователи Boost». Теперь вы должны понять, как работают повышающие преобразователи и как регулировка входного напряжения, коэффициента заполнения и частоты влияет на выходное напряжение. Спасибо за просмотр.