Схема повышающего конвертера DC-DC

Электронная схема да и вообще все, что связано с электроникой интересно изучать, особенно если вы можете самостоятельно построить свои собственные схемы. Чтобы помочь вам в этом, мы в этой публикации, для начала, предоставим вам список популярных электронных схем и электронных проектов с хорошо проиллюстрированной принципиальной схемой и подробным объяснением для применения в самостоятельной работе.

Весь рабочий процесс тестирования и проверки электронных схем записывается на видео для более эффективного обучения. Независимо от того, являетесь ли вы экспертом или новичком в электронике, у нас есть кое-что интересное для всех вас. У нас есть огромная коллекция из 200+ бесплатных электронных схем, которые вы можете построить сегодня собственноручно.

Схема простого повышающего преобразователя DC-DC с использованием микросхемы таймера 555

В этом проекте мы будем создавать схему повышающего преобразователя с использованием микросхемы таймера 555. Повышающий преобразователь — это не изолированный импульсный источник питания, который используется для повышения напряжения. Другими словами, это дает более высокое выходное напряжение по сравнению с входным.

Схема очень похожа на понижающий конвертерhttps://circuitdigest.com/electronic-circuits/simple-555-timer-based-buck-regulator-circuit-for-led-dimmers-and-dc-motor-speed-control, который мы разработали для управления двигателем и светодиодной лентой, которая предназначается для понижения входящего напряжения. Повышающие преобразователи находят применение во многих типах нашего бытового оборудования. Это очень распространенные схемы силовой электроники, которые широко используются с солнечными панелями и другими технологиями, и являются одной из самых важных схем в настоящее время.

В этой статье мы узнаем о понижающих преобразователях и спроектируем очень простой повышающий инвертор с использованием таймера 555 и IRFZ44N, N-канального МОП-транзистора.

Работа повышающего преобразователя DC-DC

Повышающий преобразователь используется для увеличения выходного напряжения благодаря уменьшению тока, это достигается за счет сохранения энергии в катушке индуктивности, и, поскольку энергия в дросселе не может изменяться мгновенно, она начинает накапливать энергию в своем магнитном поле.

Ток протекающий через катушку индуктивности (дроссель) определяется выражением I, и, поскольку сопротивление и ток постоянны, единственное значение, которое может измениться, — это напряжение. Как показано на рисунке ниже, дроссель соединен последовательно с источником напряжения для постоянного включения и выключения цепи.

Переключатель подключен параллельно источнику напряжения и катушке индуктивности для достижения быстрого переключения. Мы здесь используем полевой МОП-транзистор вместе с драйвером полевого МОП-транзистора. Схема подключена к нагрузке и параллельно ей конденсатор. Чтобы ограничить обратный ток от конденсатора, между емкостью и полевым МОП-транзистором используется диод.

Катушка индуктивности пытается противостоять изменению тока, чтобы обеспечить постоянный входной ток, и, следовательно, повышающий инвертор действует как источник входного постоянного тока, в то время как нагрузка действует как источник постоянного напряжения. Эта схема очень похожа на понижающий преобразователь и иногда называется обратным понижающим инвертором.

N-канальный полевой МОП-транзистор управляется ШИМ-сигналом, здесь мы использовали таймер IC 555 для обеспечения вывода на полевой МОП-транзистор. Конденсатор используется для хранения заряда и обеспечения постоянной выходной мощности нагрузки. Схема работает в 2 этапа, на 1 ступени переключатель включен, а на 2 ступени переключатель находится в выключенном состоянии.

Этап 1: Включен: режим зарядки

В этом состоянии переключатель MOSFET включен. Используемый нами полевой МОП-транзистор представляет собой N-канальный полевой МОП-транзистор IRFZ44N, вывод затвора подключен к выводу 3 таймера IC555. Когда переключатель находится в состоянии ВКЛ, он замыкает цепь через катушку индуктивности, и на нее подается напряжение, в результате чего вокруг него создается магнитное поле. Поскольку он предлагает путь с очень низким сопротивлением, все напряжение проходит через переключатель и возвращается к источнику питания, как отмечено красной линией на рисунке ниже.

Конденсатор, который был ранее заряжен на последнем этапе, пытается разрядиться через полевой МОП-транзистор, и чтобы остановить его, мы используем диод, для того чтоб прекратить заряд конденсатора, протекающий в обратном направлении.

Этап 2: выключатель выключен: режим разряда

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, путь зарядки индуктора не завершается, следовательно, полярность индуктора меняется на обратную, и магнитное поле вокруг него схлопывается, в результате генерируется скачок напряжения, который проходит через диод и заряжает конденсатор. Суммарная энергия от 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 как T_on и T_off соответственно. Следовательно:

T = T_on + T_off

Частота (f) определяется как

f = 1 / (T_on + T_off)

Рабочий цикл (D) определяется как общее время, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии, по отношению к общему периоду времени. Продолжительность включения определяется по формуле:

D = T_on/ T

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

V_in = V_out

Теоретически за один полный цикл чистое изменение тока катушки индуктивности равно нулю, а отношение входного напряжения V_in к выходному напряжению (V_out) определяется как:

V_in / V_out = 1 / (1-D)

Теоретически 0

Расчетное значение индуктора:

Мы знаем, что средний входной ток (I_avg) равен среднему току индуктора (I_Lavg). Следовательно, средний ток катушки индуктивности можно рассчитать следующим образом:

Пульсации индуктора обычно составляют 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, представленной ниже, цепь зарядки следует по пути, отмеченному красным, то есть R3> D2> C2.

Чтобы рассчитать номиналы 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 сделал схему на макетной плате. Принципиальная схема, разработанная в KiCad, приведена ниже.

Необходимые компоненты:

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

Что следует помнить при выборе компонента:

MOSFET: вам нужно выбрать MOSFET, который сможет выдерживать максимальное выходное напряжение, поэтому его напряжение пробоя должно быть выше, чем максимальная мощность преобразователя

Диод: Для операций с низким напряжением я использовал IN5822, потому что низкая скорость IN4007 делает его непригодным для наших операций. Нам нужно выбрать быстрый диод, я попытался использовать диод IN4007 в качестве выходного диода, но из-за проблем с производительностью я переключился на более быстрый IN5822.

Как работает схема повышающего преобразователя

В схеме используется микросхема IC 555 в нестабильном режиме в качестве генератора ШИМ, и, следовательно, вся схема построена примерно так же. Подключения всех 8 контактов указаны ниже:

• Контакт 1 подключен к шине заземления.
• Контакты 2 и 6 с заземлением через конденсатор емкостью 1 нФ.
• Контакт 3 выдает выходной сигнал и, таким образом, подключен к затвору N-канального МОП-транзистора IRFZ44N. Этот вывод отвечает за управление выходом ШИМ на затвор полевого МОП-транзистора.
• Контакт 4 необходимо подключить к источнику питания
• Контакт 5 помогает стабилизировать выход, поэтому он подключен к земле через конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Это также помогает обеспечить невосприимчивость к электрическим помехам.
• Вывод 7 подключен к инвертированной диодной установке; переход подключен к положительной шине через резистор 1 кОм.
• Контакт 8 необходимо подключить к источнику питания.

Основным компонентом любого SMPS является переключатель, здесь в этой схеме мы используем N-канальный MOSFET IRFZ44N в качестве переключателя. Он управляется слабым сигналом от IC 555, поэтому логический элемент IRFZ44N подключен к IC 555. Сток обеспечивает отрицательное переключение цепи, а источник заземлен. Он имеет следующую спецификацию:

VDSS = 55 В

RDS (вкл.) = 17,5 мОм

ID = 49A

Тестирование схемы повышающего преобразователя Dc Dc на основе таймера 555

Я тестировал схему с литий-ионным аккумулятором 3,7 В, аккумулятор был заряжен примерно до 3,4 В. Я подключил элемент к повышающему преобразователю, и напряжение на нем показало 7,5 В. Изображение выхода на выходе повышающего преобразователя показано ниже.

Чтобы проверить ток, я заменил провод мультиметра на токовый щуп (не забудьте выбрать диапазон 10 А или 20 А на вашем мультиметре, чтобы защитить его от повреждения). Ток показывал 3,2 А, таким образом, эта схема способна производить около 30 Вт. Схема работала правильно и смогла повысить напряжение.

Отсутствие обратной связи приводит к падению напряжения в цепи при подключении нагрузки. Обратная связь, используемая повышающими преобразователями, гарантирует, что рабочий цикл остается стабильным даже при подключенной нагрузке. Мы можем легко обеспечить обратную связь, используя микроконтроллер для измерения измененного выходного сигнала, а затем изменять входное сопротивление, что делает эту схему более полезной и практичной для большинства операций.

Это очень простая, но эффективная схема, которую можно использовать, если вам будет нужно более высокое напряжение, чем может обеспечить ваш источник напряжения, при одновременном снижении потерь мощности в вашей цепи. Эта схема была способна выдавать мощность более 30 Вт. Хотя для создания схемы рекомендуется использовать хотя бы перфокарту, так как обычные макетные платы предназначены для маломощных приложений.

Если вам нужен постоянный выход, вы должны использовать постоянный резистор вместо потенциометра, чтобы повысить общую эффективность конструкции. Основным недостатком этой схемы является то, что из-за отсутствия обратной связи падение напряжения при подключении нагрузки довольно велико.

И последнее: создавать схему, которая может быть спроектирована из простых компонентов, лежащих на нашем рабочем столе, — это весело.

Повышающий преобразователь напряжения на на таймере 555