Преобразователи напряжения играют важную роль в современной электронике. Они позволяют изменять уровень напряжения электрического тока, преобразуя его из одного диапазона в другой. Это дает возможность питать различные устройства от одного источника, согласовывать их между собой. Рассмотрим основные виды и применение преобразователей напряжения.
Существует множество схем преобразователей напряжения. Их можно классифицировать по разным признакам: по типу преобразования (повышающие, понижающие, инвертирующие), по используемым компонентам (трансформаторные, транзисторные, на интегральных микросхемах), по области применения и так далее. Давайте разберем основные виды и принципы работы.
Повышающие преобразователи
Повышающие преобразователи напряжения применяются там, где нужно получить более высокое напряжение из имеющегося. Например, для питания ламп, зарядных устройств, усилителей. Существует несколько способов реализации.
- С использованием трансформатора. Простая и надежная схема, позволяет получать выходное напряжение в несколько раз выше входного.
- На транзисторах по схеме умножителя напряжения. Позволяет получать не очень большой коэффициент умножения, зато имеет хороший КПД.
- С использованием импульсных преобразователей. Позволяет значительно повысить напряжение, используя обратную связь и ШИМ. Применяется в SMPS блоках питания ПК.
Понижающие преобразователи
Понижающие преобразователи напряжения нужны для получения более низкого напряжения из имеющегося. Используются для питания микросхем, светодиодов, мобильных устройств и т.д. Варианты реализации:
- На основе делителя напряжения из резисторов. Простая и дешевая схема, но с большими потерями.
- С использованием стабилизатора напряжения. Позволяет получить стабильное выходное напряжение.
- На основе импульсного преобразователя со сглаживающим фильтром. Имеет хороший КПД, используется в блоках питания.
Инвертирующие преобразователи
Инвертирующие или симметрирующие преобразователи меняют полярность входного напряжения на противоположную. Применяются, например, в источниках бесперебойного питания для получения отрицательного напряжения относительно земли. Схемы реализации:
- На основе мостовой схемы из диодов.
- С использованием операционного усилителя.
- На базе инвертирующего DC-DC преобразователя.
Преобразователи напряжения для дома
В быту часто возникает необходимость в преобразовании напряжения сети 220В. Рассмотрим типичные примеры.
- Для питания бытовой техники из розетки 12В или 5В нужен понижающий трансформатор или импульсный преобразователь со стабилизатором.
- Для питания ламп 220В от аккумулятора 12В используют повышающий преобразователь на транзисторах или мощный DC-DC модуль.
- Для получения симметричного ±15В из стабилизатора 15В применяют простую симметрирующую схему на операционном усилителе.
Как сделать преобразователь напряжения своими руками
Несложный преобразователь можно собрать в домашних условиях из подручных компонентов.
- Определить требования к входному и выходному напряжению.
- Подобрать элементную базу - транзисторы, диоды, конденсаторы, катушки индуктивности.
- Найти или разработать принципиальную схему преобразователя.
- Собрать схему на макетной плате или универсальном прототипировщике.
- Проверить работоспособность и при необходимости доработать схему.
При этом нужно учитывать требования по мощности, напряжениям, токам и частотам преобразования. Желательно использовать готовые модули - это проще и надежнее.
Интересные факты
- Первые электрические преобразователи появились еще в XIX веке для питания дуговых ламп и были основаны на использовании трансформаторов.
- Современные импульсные преобразователи напряжения позволяют получать КПД до 95-97%.
- В электронных сигаретах используются понижающие преобразователи напряжения для получения напряжения питания нагревательного элемента в несколько вольт.
Примеры схем преобразователей
Давайте рассмотрим несколько примеров схем преобразователей напряжения, которые можно реализовать своими руками.
Простой повышающий преобразователь на транзисторе
Это одна из самых простых схем для увеличения напряжения. Используется транзистор в схеме с общим эмиттером. На вход подается напряжение 9В, а на выходе получаем 18В. Недостатком являются невысокий КПД и нестабильность выходного напряжения.
Понижающий преобразователь на линейном стабилизаторе
Позволяет получить стабильное выходное напряжение 3,3В из 12В источника питания. Используется готовый интегральный стабилизатор типа КР142ЕН5А. Простая и надежная схема, но с большими потерями энергии на стабилизаторе.
Инвертирующий преобразователь на операционном усилителе
При подаче на вход положительного напряжения на выходе получаем отрицательное. Состоит из операционного усилителя и нескольких резисторов. Можно использовать микросхему типа КР140УД7Б. Схема имеет невысокий КПД.
Самодельные преобразователи на Arduino
Для экспериментов с преобразователями напряжения удобно использовать контроллер Arduino и готовые модули. Это позволяет быстро протестировать различные алгоритмы управления.
В качестве примера можно взять модуль DC-DC повышающего преобразователя. Его можно запитать от 5В выхода Arduino, а на выходе получить 12В или более для питания внешних устройств. Программно можно реализовать различные режимы регулировки выходного напряжения и тока.
Такие самодельные преобразователи удобны для изучения принципов преобразования напряжения и отладки алгоритмов управления с обратной связью. При желании на их основе можно создать прототип полноценного источника питания.
