Войти
A Преобразователь постоянного тока - это электронная схема или электромеханическое устройство, которое преобразует источник постоянного тока (DC) из одного уровня напряжения в другой. Это тип преобразователя электроэнергии. Уровни мощности варьируются от очень низкого (маленькие батареи) до очень высокого (передача энергии высокого напряжения).
До развития силовых полупроводников и родственных технологий, одним из способов преобразования напряжения источника постоянного тока в более высокое напряжение для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора, за которым следует повышающий трансформатор и выпрямитель. Для большей мощности электродвигатель использовался для привода генератора желаемого напряжения (иногда объединенного в единый «динамоторный» блок, двигатель и генератор объединены в один блок, причем одна обмотка приводила в движение двигатель, а другая генерировала выходное напряжение).. Это были относительно неэффективные и дорогостоящие процедуры, которые использовались только тогда, когда не было альтернативы, например, для питания автомобильного радиоприемника (в котором тогда использовались термоэмиссионные клапаны / лампы, требующие гораздо более высокого напряжения, чем от автомобильного аккумулятора на 6 или 12 В). Появление силовых полупроводников и интегральных схем сделало экономически целесообразным использование методов, описанных ниже. Например, чтобы преобразовать источник питания постоянного тока в высокочастотный переменный, используйте трансформатор - небольшой, легкий и дешевый из-за высокой частоты - для изменения напряжения и его возврата обратно в постоянный ток. Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высокого напряжения, некоторые радиолюбители операторы продолжали использовать источники вибраторов и динамоторы для мобильных приемопередатчиков, требующих высокого напряжения, хотя транзисторные источники питания были доступны <. 38>
Хотя можно было получить более низкое напряжение из более высокого с помощью линейного регулятора или даже резистора, эти методы рассеивали избыток в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с твердотельными импульсными схемами.
Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры, которые питаются от батареи в первую очередь. Такие электронные устройства часто содержат несколько под- цепей, каждая со своим собственным требованием к уровню напряжения, отличным от напряжения, подаваемого батареей или внешним источником (иногда выше или ниже напряжения питания). Кроме того, напряжение аккумулятора снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают способ увеличения напряжения при частично пониженном напряжении батареи, тем самым экономя место, вместо того, чтобы использовать несколько батарей для достижения того же самого.
Большинство схем преобразователя постоянного тока в постоянный также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают высокоэффективные источники питания светодиодов, которые представляют собой своего рода преобразователь постоянного тока в постоянный, который регулирует ток через светодиоды, и простые насосы заряда, которые удваивают или утроивают выходное напряжение..
Преобразователи постоянного тока в постоянный ток, которые разработаны для максимизации сбора энергии для фотоэлектрических систем и ветряных турбин, называются оптимизаторами мощности.
Трансформаторы, используемые для Преобразование напряжения на частотах сети 50–60 Гц должно быть большим и тяжелым для мощности, превышающей несколько ватт. Это делает их дорогими, и они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, в которых используются трансформаторы или катушки индуктивности, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, более легких и дешевых компонентов намотки. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительно выпрямлять сетевое напряжение до постоянного тока, использовать импульсные методы для преобразования его в высокочастотный переменный ток при желаемом напряжении, а затем, как правило, выпрямлять его до постоянного тока. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности. Преобразователь постоянного тока в постоянный широко используется в микросетях постоянного тока для приложений с различным уровнем напряжения.
Практические электронные преобразователи используют методы переключения. Преобразователи постоянного тока в постоянный с переключенным режимом преобразуют один уровень постоянного напряжения в другой, который может быть выше или ниже, путем временного сохранения входной энергии и последующего выделения этой энергии на выход с другим напряжением. Хранение может быть либо в компонентах хранения магнитного поля (индукторы, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Коммутационное преобразование часто более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, при котором нежелательная мощность рассеивается в виде тепла. Для повышения эффективности требуется быстрое время нарастания и спада полупроводникового устройства; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схем. Более высокий КПД импульсного преобразователя снижает потребность в теплоотводе и увеличивает срок службы аккумуляторной батареи портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов за счет использования силовых полевых транзисторов, которые могут переключаться более эффективно с меньшими коммутационными потерями на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы, и используют менее сложные схема привода. Другим важным усовершенствованием преобразователей постоянного тока является замена маховикового диода на синхронное выпрямление с использованием силового полевого транзистора, у которого «сопротивление во включенном состоянии» намного меньше, что снижает коммутационные потери. До широкого распространения силовых полупроводников маломощные синхронные преобразователи постоянного тока в постоянный ток состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий вакуумную лампу или полупроводниковый выпрямитель, или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.
Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный предназначены для перемещения мощности только в одном направлении, от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных регуляторов могут быть двунаправленными и иметь возможность перемещать мощность в любом направлении путем замены всех диодов на независимо управляемое активное выпрямление. Двунаправленный преобразователь полезен, например, в приложениях, требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где мощность подается на колеса во время движения, но обеспечивается колесами при торможении.
Несмотря на то, что для них требуется немного компонентов, переключающие преобразователи сложны в электронном отношении. Как и все высокочастотные схемы, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и поддержания коммутируемого шума (EMI / RFI ) на приемлемом уровне. Их стоимость выше, чем у линейных регуляторов в устройствах с понижением напряжения, но их стоимость снижается с развитием дизайна микросхем.
Преобразователи постоянного тока в постоянный ток доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих нескольких дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных модулей гибридных схем, готовых к использованию в электронном узле.
Линейные регуляторы, которые используются для вывода стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входа, посредством рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла, можно описать буквально как Преобразователи постоянного тока в постоянный, но это не обычное использование. (То же самое можно сказать о простом резисторе с понижением напряжения , независимо от того, стабилизирован он или нет с помощью следующего регулятора напряжения или стабилитрона.)
Существуют также простые емкостные удвоители напряжения и умножители Диксона схемы, в которых используются диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целое число, обычно доставляющих только небольшой ток..
В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается внутри и выделяется из магнитного поля в катушке индуктивности или трансформатор, обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения / выключения), количество мощности, передаваемой на нагрузку, можно более легко контролировать, хотя это управление также может применяться к входному току, выходному току или для поддержания постоянной мощности. Преобразователи на базе трансформатора могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин «преобразователь постоянного тока в постоянный» относится к одному из этих переключающих преобразователей. Эти схемы составляют основу импульсного источника питания . Существует множество топологий. В этой таблице показаны наиболее распространенные.
| Вперед (энергия передается через магнитное поле) | Обратный ход (энергия сохраняется в магнитном поле) | |
|---|---|---|
| Без трансформатора (неизолированный) |
|
|
| ||
| ||
| С трансформатором (изолируемый) |
|
|
Кроме того, каждая топология может быть:
Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный ток могут работать в двух режимах, в зависимости от тока в его главном магнитном компоненте (индукторе или трансформаторе):
Преобразователь могут быть разработаны для работы в непрерывном режиме при высокой мощности и в прерывистом режиме при низкой мощности.
Топологии полумоста и обратного хода схожи в том, что энергия, запасенная в магнитном сердечнике, должна рассеиваться, чтобы сердечник не насыщался. Передача энергии в схеме обратного хода ограничена количеством энергии, которое может храниться в сердечнике, в то время как прямые схемы обычно ограничиваются ВАХ переключателей.
Хотя переключатели MOSFET могут выдерживать одновременный полный ток и напряжение (хотя тепловое напряжение и электромиграция могут сократить MTBF ), биполярные переключатели обычно могут Поэтому не требуется использование амортизатора (или двух).
В сильноточных системах часто используются многофазные преобразователи, также называемые преобразователями с чередованием. Многофазные регуляторы могут иметь лучшую пульсацию и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы.
Многие ноутбуки и настольные материнские платы включают чередующиеся понижающие стабилизаторы, иногда в виде модуля регулятора напряжения.
Особенностью этих преобразователей является то, что энергия течет в обоих направлениях преобразователя. Эти преобразователи обычно используются в различных приложениях, и они подключаются между двумя уровнями постоянного напряжения, где энергия передается с одного уровня на другой.
Преобразователи с переключаемыми конденсаторами основаны на попеременном подключении конденсаторов ко входу и выходу в различных топологиях. Например, понижающий преобразователь с переключаемыми конденсаторами может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это обеспечит такую же выходную мощность (меньше потерь из-за КПД ниже 100%), в идеале, при половине входного напряжения и вдвое большем токе. Поскольку они работают с дискретными количествами заряда, их также иногда называют преобразователями накачки заряда. Обычно они используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, поскольку при более высоких токах повышенная эффективность и меньшие размеры импульсных преобразователей делают их лучшим выбором. Они также используются при чрезвычайно высоких напряжениях, поскольку при таких напряжениях магнитные поля могут выйти из строя.
Мотор-генератор с отдельными двигателем и генератором. Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из электродвигателя и генератора, соединенных вместе. динамотор объединяет обе функции в единый блок с катушками для функций двигателя и генератора, намотанных на один ротор; обе катушки используют одни и те же катушки внешнего поля или магниты. Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, когда катушки генератора выходят на другой коммутатор на другом конце вала. Весь узел ротора и вала меньше по размеру, чем пара машин, и может не иметь открытых приводных валов.
Мотор-генераторы могут преобразовывать любое сочетание постоянного и переменного напряжения и фаз. Большие мотор-генераторные установки широко использовались для преобразования промышленных объемов энергии, в то время как блоки меньшего размера использовались для преобразования энергии батареи (6, 12 или 24 В постоянного тока) в высокое постоянное напряжение, которое требовалось для работы вакуумной трубки (термоэмиссионный клапан) оборудование.
Для требований к более низкому энергопотреблению при напряжениях выше, чем от аккумуляторной батареи транспортного средства, использовались источники питания вибратора или «зуммера». Вибратор совершал механические колебания с контактами, которые переключали полярность батареи много раз в секунду, эффективно преобразовывая постоянный ток в прямоугольную волну переменный ток, который затем можно было подавать на трансформатор с требуемым выходным напряжением (-ями). Он издал характерный жужжащий звук.
Дополнительные средства преобразования постоянного тока в постоянный в диапазоне киловатт в мегаватты представлены с помощью проточных окислительно-восстановительных батарей, таких как ванадиевых окислительно-восстановительных батарей..
Преобразователи постоянного тока в постоянный ток подвержены различным типам хаотической динамики, таким как бифуркация, кризис и прерывистость.
