Как работает повышающий преобразователь

Как устроены DC DC преобразователи?

DC DC преобразователи нужны для работы разнообразной электронной аппаратуры, управляющих схем, устройств коммуникации, вычислительной техники, автоматики, мобильных гаджетов и других приборов. Принцип работы DC DC преобразователей заключается в изменении выходного напряжения, причем возможно как его увеличение, так и уменьшение по отношению к значению напряжения на входе – в зависимости от используемого источника питания и напряжения, потребляемого прибором. Соответственно, инверторы бывают повышающими и понижающими.

Питание схем с использованием трансформаторных БП

В трансформаторных блоках питания преобразуется напряжение питающей электросети – как правило, трансформатор уменьшает его до требуемой величины. Уменьшенное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста, проходит через полупроводниковый стабилизатор (при необходимости) и нивелируется конденсаторным фильтром.

Стабилизаторы обычно используются линейные. Они дешевые и содержат в обвязке минимум компонентов, но имеют скромный КПД. Частично Uвх тратится на нагревание регулирующего транзистора. Поэтому трансформаторные БП не подходят для использования в переносной электронике.

Работа DC DC преобразователя

Для приборов, электропитание которых производится от батареек или аккумуляторов, изменение напряжения до требуемой величины возможно только с использованием DC DC инверторов. Опишем вкратце, как работают DC DC преобразователи повышающего или понижающего типа. Напряжение постоянного тока с его помощью:

• становится переменным с частотой в несколько десятков или сотен кГц;
• увеличивается или уменьшается до требуемого значения;
• проходит выпрямление;
• поступает в нагрузку.

Такие инверторы называют импульсными. Они отличаются высоким КПД – от 60 до 90%, и имеют широкий диапазон Uвх. Его значение бывает меньше Uвых или гораздо выше его. Например, инвертор, увеличивающий напряжение от 1,5 до 5 В, увеличивает стандартное напряжение батарейки до Uвых, характерного для USB разъема на компьютере. Широко используются и модели, увеличивающие напряжение с 12 до 220 В. Среди понижающих моделей популярны конфигурации, уменьшающие напряжение от 12–80 В до 5 В и от 16–120 В до 12 В (напряжение автомобильного аккумулятора).

Виды DC DC преобразователей напряжения

Рассмотрим основные типы таких устройств:

1. Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых
2. Повышающие (альтернативные названия – boost, бустеры, step-up). Имеют Uвых˃Uвх. К примеру, при Uвх=5 В удается получить Uвых до 30 В, с возможностью его высокоточной регулировки и стабилизации.
3. Универсальные (SEPIC ). Имеют Uвых, удерживаемое на фиксированном уровне. При этом есть возможность получить и Uвых
4. Инвертирующие (inverting converter). Главная задача таких устройств – получение Uвых обратной полярности по отношению к источнику питания. Они оптимально подходят для использования в ситуациях, когда нужно 2-полярное питание, к примеру, для питания операционных усилителей.

Инверторы всех перечисленных типов бывают со стабилизацией и без нее. Uвых бывает гальванически связанным с Uвх. Есть модели с гальванической развязкой напряжений. Подходящие характеристики и особенности инвертора зависят от характеристик прибора, в составе которого он будет применяться.

Работа DC DC преобразователя понижающего типа

Как видно по функциональной схеме DC DC преобразователя класса buck, на входе Uin поступает на фильтр – расположенный здесь конденсатор Cin. Коммутацию тока на высоких частотах выполняет транзистор VT – обычный биполярный или структуры MOSFET, или IGBT. Дополнительно в функциональной схеме предусмотрен разрядный диод VD и расположенный на выходе фильтр LCout. С него напряжение идет в нагрузку Rн, которая подсоединена последовательно к элементам VT и L.

Опишем алгоритм понижения напряжения. Управляющая микросхема создает импульсы в форме прямоугольников, со стабильной частотой. На графике tи – это время импульса при открытом транзисторе, а tп – длительность паузы при его закрытом состоянии. Отношение tи/T=D – это коэффициент заполнения, который измеряется в процентах (от 0 до 100%) или долях числа (от 0 до 1). К примеру, D=50% – это то же самое, что и D=0,5. При D=1 наблюдается полная проводимость ключевого транзистора, а при D=0 ключ закрыт, т.е. наблюдается отсечка. При D=0,5 значение Uвых=0,5Uвх.

Uвых регулируется путем смены ширины импульса управления tи, фактически – за счет смены коэффициента D. Этот принцип регулировки носит название широтно-импульсной модуляции (ШИМ , в английской аббревиатуре – PWM). Стабилизация Uвых в большинстве импульсных БП осуществляется с использованием ШИМ.

Благодаря массовому распространению инверторов производители наладили изготовление ШИМ контроллеров всевозможных типов. Их выбор огромен, поэтому собирать инверторы на дискретных компонентах не приходится. К тому же, готовые инверторы умеренной мощности отличаются ценовой доступностью. Для установки в создаваемую конструкцию остается только припаять к плате проводки на вход и выход, а затем выставить нужное значение Uвых.

Фазы работы понижающего преобразователя

Коэффициент D влияет на длительность открытия или закрытия ключа:

1. Фаза 1 – накачка. Когда ключ-транзистор разомкнут, ток от батарейки, аккумулятора или другого источника идет по направлению от дросселя L на нагрузку Rн и заряжаемый конденсатор Cout. Конденсатор и дроссель при этом копят электроэнергию. Величина тока iL плавно растет под воздействием индуктивности дросселя. Этот этап называется накачкой. Когда напряжение на нагрузке достигает фиксированной величины, транзистор VT перекрывается, и стартует этап разряда.
2. Фаза 2 – разряд. Транзистор VT сомкнут, и дроссель не накапливает энергию, т.к. источник отключен. Изменению значения и направленности тока, идущего через обмотку дросселя, препятствует индуктивность L (эффект самоиндукции). В результате движение тока не прекращается в один миг, и происходит его замыкание по линии «диод -нагрузка». По этой причине диод VD называется разрядным. Обычно в этих целях используется быстродействующий диод Шоттки. По окончании 2-й фазы процесс циклически повторяется.

Предельное значение Uвых в этой схеме равно Uвх и не может превышать его. Для получения Uвых˃ Uвх используются повышающие преобразователи.

Нюансы создания схем понижающих преобразователей

В реальности работа схемы инвертора отличается от теоретического описания. При включении и выключении возможны промедления, активное сопротивление отлично от нуля, на работе схемы сказывается качество используемых элементов и паразитная емкость монтажа. Значение индуктивности определяет 2 режима работы понижающего преобразователя:

1. При малой индуктивности он функционирует в режиме разрывных токов, что не позволяет использовать конвектор с источниками питания.
2. При высокой индуктивности чоппер работает по принципу неразрывных токов, и есть возможность с использованием фильтров на выходе получить U=const с допустимыми пульсациями. В таком режиме функционируют и модели, увеличивающие напряжение.

С целью увеличения КПД вместо разрядного диода VD можно использовать транзистор MOSFET. Его в нужное время открывает управляющая схема. Такие инверторы называют синхронными и рекомендуются к использованию при достаточно большой мощности инвертора.

Работа повышающих DC DC преобразователей

Такие модели преимущественно используются при работе от источников малой мощности, к примеру, от пары-тройки батареек, а некоторые конструкционные элементы требуют напряжения 12–15 В при малом токопотреблении. Uin поступает на находящийся на входе фильтр Cin и далее – на катушку L и транзистор VT, которые последовательно соединены между собой. В месте соединения катушки и стока транзистора к ним подсоединен диод VD. К его второму выходу подсоединена нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Работой транзистора VT управляет микросхема, вырабатывающая управляющий сигнал неизменной частоты с настраиваемым значением D – по аналогии с работой понижающего преобразователя. Диод VD в соответствующие моменты перекрывает нагрузку от ключа.

При разомкнутом ключе вывод L, находящийся справа на схеме, соединяется с минусовым полюсом аккумулятора или другого источника питания Uin. Растущий под действием индуктивности ток от аккумулятора идет через катушку (в ней копится энергия) и разомкнутый транзистор. Одновременно диод VD перекрывает нагрузку и находящийся на выходе конденсатор, не допуская его разряда из-за открытости транзистора.

В то же время нагрузка получает питание из запасов конденсатора Cout, и напряжение на выходном конденсаторе снижается. Когда оно становится меньше заданной величины (согласно настройкам управляющей схемы), ключ-транзистор VT перекрывается, и накопленная в дросселе электроэнергия через диод VD заряжает конденсатор Cout, подпитывающий нагрузку. Электродвижущая сила самоиндукции катушки L суммируется с Uвх и идет в нагрузку, поэтому наблюдается прирост напряжения Uвых˃Uвх. Когда величина Uвых достигает заданного уровня стабилизации, управляющая схема инициирует открытие транзистора VT, и процесс циклически продолжается.

Как работает универсальный DC DC преобразователь

Принцип его работы имеет значительное сходство со схемой DC DC инвертора повышающего типа, но дополнительно используются конденсатор C1 и катушка L2. Благодаря им устройство используется в режиме уменьшения напряжения. Такие конверторы используются в ситуациях, когда Uвх имеет большой диапазон значений. Например, есть модели, преобразовывающие Uвх= 4–35 В в Uвых=1,23–32 В. Внешне универсальный преобразователь легко узнать по наличию 2-х катушек – L1 и L2.

повышающий преобразователь

Как правило, импульсные блоки питания используются во многих электронных процессах, таких как преобразование постоянного тока в постоянный. Но бывают случаи, когда существующего напряжения недостаточно для работы системы. И даже если вы используете больше батарейных блоков, в конечном итоге вы только увеличите объем и займете больше места.

Быстрым и простым выходом из сложившейся ситуации является повышение доступного напряжения с использованием при этом меньшего числа батарей. Как раз для этого пригодится повышающий преобразователь .

Общие сведения

Повышающий преобразователь напряжения — это тип/форма импульсного преобразователя, который осуществляет увеличение вольтажа от входа к выходу. Часто он включает такие компоненты:

• диод;
• конденсаторы;
• MOSFET-транзистор;
• индуктор или индукционную катушку.

Повышающие модули отличаются компактностью и высокой продуктивностью. Эффективность блока увеличения вольтажа иногда достигает уровня функционирования 99%.

Принцип работы

Прежде чем сосредоточится на принципе работы модуля повышения напряжения , следует понять назначение диода, индуктора, конденсаторов и транзисторов MOSFET. Диоды и транзисторы являются активными полупроводниками, а конденсатор или индукционная катушка – это, как правило, пассивные компоненты.

Первый шаг начинается с режима бездействия. Конденсатор получает заряд до уровня питающего напряжения менее чем на один диод. На втором шаге включается цепь.

Сразу после переключения источник сигнала становится высоким, затем включается MOSFET. Следовательно, через дроссель происходит отвод тока на полевой МОП-транзистор.

Поскольку существует состояние диода с обратным смещением, нужно убедиться, что выходной ток остается заряженным. Повышающий модуль может получать постоянный ток на вводе от различных источников, например, солнечного коллектора, генератора постоянного тока, AC-DC преобразователя, стабилизатора, аккумулятора и прочих устройств.

Источник питания не получает немедленного короткого замыкания, потому что индуктор обеспечивает постепенное нарастание тока. Вокруг индуктора возникает магнитное поле.

На третьем и последнем этапе выключение полевого МОП-транзистора останавливает поступление тока на индуктор, что заставляет производить увеличенное напряжение противоположной полярности.

Режимы работы

Импульсный повышающий преобразователь напряжения может работать в двух разных режимах:

1. Непрерывный.
2. Прерывистый.

В непрерывном режиме при выключенном транзисторе ток индукционной катушки не станет равным нулю в процессе разрядки. Соединение происходит до разряда тока через конденсатор и нагрузку. В результате повышающий индуктор имеет постоянную и эффективную скорость производства дополнительного напряжения.

В прерывистом режиме напротив, транзистор может иметь большое время включения. Таким образом, индуктор может полностью разряжаться и сохранять бездействие во время включения кнопки транзистора.

Как работает повышающий преобразователь напряжения

Повышающий преобразователь напряжения (или как его еще называют – повышающий DC/DC преобразователь) работает благодаря удивительным свойствам катушки индуктивности, в роли которой выступает дроссель.

Давайте рассмотрим принцип работы повышающего преобразователя более подробно. Для этого воспользуемся простыми, но понятными схемами.

Одними из основных элементов повышающего преобразователя являются дроссель и транзистор, которые замкнуты последовательно в одну цепь вместе с источником питания.

В роли источника питания может выступать как аккумуляторная батарея, так и классический блок питания, включенный в сеть.

Обратите внимание: транзистор изображен на схемах в виде кнопки, чтобы можно было видеть, в каком именно положении (открытом или закрытом) он находится в данный момент.

К установленному транзистору дополнительно добавляется ШИМ-контроллер, который будет включать и отключать проводимость транзистора много раз в секунду.

Принцип работы повышающего преобразователя

По умолчанию транзистор находится в закрытом положении и электрический ток не имеет возможности протекать по цепи.

Когда транзистор открывается, то электрический ток от источника питания направляется в сторону дросселя, но не проходит через него — вместо этого вся энергия расходуется на создание магнитного поля вокруг дросселя.

После того, как дроссель насытил свое магнитное поле, транзистор автоматически переходит в закрытое положение.

В результате напряжение в цепи начинает нарастать, и мы можем его использовать для наших нужд. Но для этого необходимо добавить в цепь еще два важных элемента: диод и конденсатор подходящей емкости.

Высокое напряжение, которое образовалось после создания магнитного поля дросселя и закрытия транзистора, через диод устремляется на конденсатор.

Обратите внимание: диод также предотвращает потерю заряда конденсатором в момент открытого транзистора, потому что он проводит электрический ток только в одном направлении.

Благодаря наличию ШИМ-контроллера и быстродействию транзистора, данный цикл повторяется тысячи раз в секунду. В результате у нас получится импульсное высокое напряжение, которое сглаживается добавленным в цепь конденсатором. Или несколькими конденсаторами.

Советуем к прочтению: Как выбрать паяльник для проводов и микросхем

В современной радиоэлектронике повышающие DC/DC преобразователи с дросселем применяются в самых разных устройствах: от игрушечных машин на пульте управления до сложной вычислительной техники.

Как вам статья?

Повышающий драйвер светодиода с плавной регулировкой яркости

Привет, Хабр! Вы до сих пор не знаете, как работает DC-DC-конвертер , как его собрать или переделать имеющийся под свои нужды? Тогда вас заинтересует эта статья.

Рассматривать принцип работы повышающего (step-up, boost) преобразователя, а самое главное, обратную связь по току и напряжению , будем на примере самодельного светодиодного фонарика.

Импульсные преобразователи мощности (или напряжения, как исторически сложилось их название), давно стали неотъемлемой частью электронной техники. Дело в том, что химические источники тока (аккумуляторы, батарейки) дают низкое напряжение, а многим приборам, прежде всего, на вакуумных и газоразрядных лампах, требовалось высокое.

За основу для сегодняшней самоделки возьму китайский набор для сборки повышающего преобразователя c 5 до 12 вольт. Модуль носит название ICSK034A и разработан компанией icstation.com. Покупала на площадке Алиэкспресс по этой ссылке.

Это не просто «вор джоулей» (joule thief), а стабилизированный преобразователь, поддерживающий на выходе заданное напряжение. Но сегодня я хочу сделать не источник питания 12 В, а светодиодный фонарик с плавной регулировкой яркости. То есть управляемый повышающий стабилизатор тока для светодиода.

Итак, сегодня мы будем изучать обратную связь импульсных преобразователей мощности. Благодаря чему сможем построить конвертер с теми свойствами, которые нам нужны. Или переделать имеющийся преобразователь в такой, как нам нужно. То есть добавить или изменить обратную связь по току или напряжению. Или сделать существующую обратную связь управляемой, т. е. добавить возможность перенастройки.

Главная часть повышающего преобразователя — это катушка. По-английски катушки и конденсаторы называют реакторами , потому что в них происходит реакция, то есть противодействие.

Конденсатор противодействует изменению напряжения. Чтобы изменить напряжение между обкладками конденсатора, следует сообщить ему электрический заряд. Заряд, помноженный на напряжение, является энергией. То есть конденсатор накапливает и отдаёт электрическую энергию.

Катушка индуктивности также противодействует изменению, но не напряжения, а тока.

▍ Принцип работы преобразователя

Повышающий преобразователь напряжения работает таким образом. Потребитель подключён к источнику питания через катушку и диод. Если ничего не происходит, то напряжение на потребителе равняется входному минус падение на диоде и активном сопротивлении катушки.

Но после катушки имеется выключатель, замыкающий цепь, состоящую из источника питания и катушки. В настоящем преобразователе это транзистор, который может быть полевым или биполярным. Также он бывает отдельным или встроенным в микросхему.

Когда этот выключатель замыкает цепь, ток в катушке растёт. Активное сопротивление катушки обычно невелико, поэтому включать следует ненадолго, чтобы ничего не сжечь.

Когда выключатель разрывает цепь, катушка пытается удерживать ток неизменным. Теперь для тока нет пути через выключатель, поэтому он пойдёт через диод к потребителю.

В результате размыкания выключателя ток снизился. В момент уменьшения тока в катушке возникает электродвижущая сила (ЭДС), то есть напряжение. Она имеет такую полярность, чтобы вызвать ток в том же направлении, куда он шёл, когда выключатель был включён.

То есть это дополнительное напряжение прибавляется к ЭДС источника. Поэтому потребитель получает большее напряжение, чем даёт первоначальный источник. Что и даёт основания называть преобразователь повышающим.

Параллельный потребителю конденсатор сглаживает скачки напряжения. Когда катушка вырабатывает электродвижущую силу, он заряжается до повышенного напряжения. Когда катушка заряжается током через выключатель, конденсатор отдаёт накопленный заряд потребителю.

Эти два реактора или интегратора, катушка и конденсатор, являются неотъемлемыми участниками процесса повышающего преобразования и обязательными составляющими преобразователя.

Также обязательным является диод, мешающий конденсатору разряжаться через выключатель. Диод пропускает ток только в одну сторону. Если потребителем является аккумулятор, диод предотвращает его разрядку через выключатель.

▍ Свойства катушки индуктивности

Напряжение на выходе преобразователя зависит от разряжающего конденсатор потребляемого тока и заряжающей его энергии, отдаваемой катушкой в каждом рабочем цикле. Энергия магнитного поля катушки с током равна индуктивности катушки, помноженной на квадрат силы тока в ней.

Со своей стороны, сила тока через катушку зависит от напряжения первоначального источника и времени, в течение которого она заряжалась. Потому что при накоплении магнитной энергии ток в катушке растёт постепенно.

Мы можем наблюдать, как медленно растёт ток (в динамике — на видео ниже). Осциллограф показывает напряжение на последовательном резисторе, которое по закону Ома зависит от тока.

Резистор, преобразующий ток в напряжение с целью измерения тока или обратной связи по току, называется шунтом .

Видим красивый экспоненциальный фрагмент кривой намагничивания, потому что катушка заряжается током как конденсатор напряжением. Когда разрываем цепь, наблюдаем вспышку неоновой лампочки.

Для пробоя межэлектродного промежутка и установления тлеющего разряда ей нужно по крайней мере 50 вольт. Скорее даже 80. Напряжение батареи 3 вольта. Видим, как катушка повышает напряжение в десятки раз.

▍ Изучаем схему

Теперь рассмотрим схему преобразователя. Он построен на микросхеме MC34063 . Конденсатор С3 определяет частоту колебаний. Ёмкость 100 пикофарад соответствует самой высокой частоте этой микросхемы, 100 килогерц. То есть сто тысяч включений и отключений в секунду. Наши электронные друзья умеют работать так быстро.

Резистор R2 определяет пиковый ток выходного транзистора, то есть нашего выключателя. Это шунт. Когда напряжение на нём достигает 300 милливольт, микросхема закрывает транзистор, чем прекращает дальнейший рост тока. 300 милливольт на сопротивлении 1 Ом будет при токе 300 миллиампер.

Сопротивление R1 ограничивает ток базы выходного транзистора. Это не шунт, потому что этот резистор не превращает ток в напряжение, которое чем-либо управляет, а просто ограничивает ток по закону Ома.

Маленький светодиод D2 выполняет две обязанности. Это индикатор работы прибора, а самое главное, нагрузка холостого хода.

Нагрузка холостого хода обязательна для любого преобразователя или стабилизатора, потому что они не могут работать, когда энергия не потребляется. Нечего преобразовывать, нечего стабилизировать.

Теперь самое интересное. Любой стабилизатор имеет вход обратной связи. Стабилизатор управляет движением чего-либо, например, электрического тока, так, чтобы напряжение обратной связи всегда равнялось определённой величине.

Линейный стабилизатор напряжения открывает выходной транзистор настолько, чтобы напряжение между выходом и ножкой обратной связи равнялось 5 вольтам, если это 7805, или 1.25 В в случае LM317.

Всё лишнее напряжение падает на транзисторе линейного стабилизатора. Этот транзистор подключён последовательно с потребителем. Поэтому ток через них один и тот же.

Пусть он равен, например, одному амперу. Напряжение питания 9 В, напряжение потребителя 5 В. То есть на транзисторе падает четыре вольта.

Мощность равна току, помноженному на напряжение. Поэтому общее потребление от источника питания составит 9 Вт. Но потребитель получит всего 5 Вт. Четыре ватта теряются на транзисторе стабилизатора. Они его нагревают.

Это пустая трата энергии, что особенно плохо в условиях автономного питания от аккумуляторов, генераторов или батарей. Ещё линейный стабилизатор нуждается в радиаторе для охлаждения. Он имеет объём, вес и цену. Потому нищие сталкеры и туристы не любят линейных стабилизаторов, и среди энтузиастов они одними из первых в стали глубоко исследовать DC-DC-конвертеры. А некоторые перешли на тёмную сторону бестопливных генераторов, сверхъединичного КПД, красной ртути и рептилоидов.

В отличие от линейного, импульсный преобразователь полностью открывает и закрывает выходной транзистор. Когда транзистор полностью открыт, на нём падает небольшое напряжение, поэтому и тепла выделяется гораздо меньше. Ещё импульсный преобразователь умеет повышать напряжение, тогда как линейный только снижает.

Итак, вход обратной связи этой импульсной микросхемы – её пятая ножка. MC34063 управляет коэффициентом заполнения так, чтобы удерживать на ножке ОС напряжение 1.25 вольта.

Коэффициент заполнения — это соотношение промежутка времени, когда транзистор открыт, к общему периоду колебания.

На схеме к ножке обратной связи подключён делитель напряжения R3R4. Резистор R4 имеет сопротивление 1.2 килоома. Напряжение на нём почти равно 1.2 вольтам, поэтому ток будет равен одному миллиамперу.

Поэтому на резисторе R3 сопротивлением 10 кОм будет напряжение 10 В. 10 + 1.2 = 11.2, то есть почти 12 В на выходе преобразователя. Это обратная связь по напряжению.

Чтобы получить обратную связь по току, следует предусмотреть шунт, напряжение на котором при желаемом токе будет равно 1.25 В. Страница набора на сайте разработчика говорит, что преобразователь при пяти вольтах на входе и 12 на выходе выдержит 60 миллиампер.

Я планирую использовать светодиодную матрицу с рабочим напряжением около 10 вольт. То есть в ней последовательно соединены три белых светодиода. Выходит, что выходное напряжение преобразователя будет то же самое, 10 В на светодиоде плюс 1.25 В на шунте.

Но питать преобразователь буду не от пятивольтового USB-пауэрбанка, а от литиевого аккумулятора. Его минимальное напряжение 3.7 В.

Нагрузка на катушку и транзистор повышающего преобразователя тем выше, чем ниже входное напряжение.

Микросхема в этом наборе достаточно мощная, но катушка слабая. Поэтому с выхода преобразователя можно потреблять ток (60/5)*3.7 = 44 миллиампера. Следовательно, сопротивление шунта должно быть 30 Ом.

Этот огромный светодиод может потреблять ток до 900 мА. Но в таком случае ему нужен радиатор. Если использовать более мощную катушку, можно сделать повышающий преобразователь с более высоким выходным током.

Соответственно можно установить с помощью резистора R2 больший пиковый ток, но не более полутора ампер, потому что для нашей микросхемы это предел.

Ещё я хочу добавить плавное управление яркостью. Для этого подсоединю шунт ко входу обратной связи не напрямую, а через резистор на 1.2 кОм. Вход ОС микросхемы имеет высокое сопротивление, поэтому этот резистор сам по себе ничего не изменит.

Добавим переменный резистор 50 кОм и последовательно с ним постоянный 5 кОм, чтобы предотвратить непосредственное соединение ножки обратной связи с выходом преобразователя.

Теперь напряжение обратной связи будет равно сумме напряжений на шунте и на дополнительном резисторе 1.2 кОм. Микросхема поддерживает напряжение ОС постоянным. Оно всегда равняется 1.25 вольта.

Поэтому напряжение на шунте, а соответственно и ток светодиода, будет меньше на величину напряжения на дополнительном резисторе. Это напряжение зависит от тока через переменный резистор.

Если этот ток равен одному миллиамперу, то шунту остаётся вообще ноль вольт. Иными словами, светодиод выключен.

Все или почти все знают, что светодиод питается током. Чем выше ток, тем ярче свет. При этом напряжение на светодиоде при разных токах остаётся почти постоянным.

Иногда светодиоды даже используют как стабисторы, то есть стабилизаторы напряжения. Поэтому считаем, что напряжение на этих трёх резисторах 50к, 5к и 1.2к равно десяти вольтам.

Если ручка переменного резистора в положении 0 Ом, сопротивление этой цепи равно 6.2 килоома. Ток выше 1 миллиампера, то есть светодиод выключен.

Если ручка в положении 50 кОм, то общее сопротивление равняется 56 кОм. Ток равен 180 микроамперам.

Это 18% от одного миллиампера. Поэтому можно уменьшить сопротивление шунта на восемнадцать процентов. Выходит 26 Ом.

Получается регулятор яркости. Если светодиод всегда присоединён к выходу преобразователя, то больше ничего не нужно. Светодиод будет ограничивать выходное напряжение преобразователя.

Если светодиода нет, или выходное напряжение ниже рабочего напряжения светодиода, то есть он закрыт и не принимает участие в работе схемы, цепь управления яркостью работает как ОС по напряжению.

Ток делителя равен одному миллиамперу. То есть число вольт на выходе равно числу килоом общего сопротивления делителя. Наименьшее напряжение выходит 6.2 вольта. Это приемлемо.

Но наивысшее напряжение получается 56 вольт, что слишком высоко. Это может повредить электролитический конденсатор и диод.

Как сделать обратную связь по напряжению так, чтобы она не мешала регулятору яркости? Нам может помочь стабилитрон. Это особый диод, подключаемый в обратном направлении.

Если напряжение на нём ниже его рабочего, он остаётся закрытым и ничего не делает. Если напряжение достигает рабочего, то стабилитрон открывается и стабилизирует напряжение.

То есть когда светодиод подключён, стабилитрон не мешает работе фонарика. Когда светодиода нет, выходное напряжение будет равно 12 + 1.25 = 13.25 В. Или меньше, в зависимости от положения регулятора яркости.

▍ Сборка и испытания

Теперь можно собрать преобразователь с теми изменениями схемы, которые мы сейчас разработали.

Фонарик неплохо светит и освещает. Если напечатать на 3D-принтере или изготовить иным способом хороший корпус, то получится полезный экономный фонарик. Ещё не помешает добавить контроллер зарядки, желательно современный, чтобы быстро заряжать аккумулятор.

Потребление тока на холостом ходу меньше десяти миллиампер. Это много, но энергия тратится не на пустой нагрев, а на работу красного светодиода, благодаря которому фонарик легко отыскать в темноте. Конечно же, можно и нужно добавить выключатель питания.

При максимальной яркости цепь потребляет 130 мА. То есть аккумулятора типоразмера 18650 хватит на сутки или несколько суток, в зависимости от яркости и времени использования. Следует учитывать, что ЭДС аккумулятора при разрядке снижается. При неизменной мощности преобразования растёт потребляемый ток.

900-миллиамперная матрица работать от преобразователя отказалась. Ей нужно по крайней мере 200-300 мА. Маленький ток матрица просто съедает и даже не светится.

Поэтому я сделала матрицу 2p3s (два параллельно, три последовательно) из обычных 5-миллиметровых белых светодиодов. Выходит допустимый ток 2*20 = 40 мА, рабочее напряжение 3*3.3 = 10 В. Снижать сопротивление шунта до 26 Ом не стала, оставила 30. Тем более, что как раз такой резистор у меня был в наличии.

Подобным образом можно переделать в драйверы светодиодов или блоки питания для мастерской и другие DC-DC преобразователи. Обратная связь по току — это ещё и защита от перегрузки или короткого замыкания.

Например, так выглядел драйвер фары электромопеда на базе понижающего преобразователя. В правой части фото несимметричный мультивибратор — электронный прерыватель для зуммера, который пришлось сделать потому, что штатный прерыватель в зуммере не работал.

Опишите в комментариях свой опыт работы со светодиодами и преобразователями напряжения.

• ruvds_статьи
• светодиодное освещение
• драйвер светодиодов
• светодиодная лампа
• светодиодный светильник
• стабилизатор
• стабилитрон
• преобразователь напряжения

• Блог компании RUVDS.com
• Читальный зал
• Научно-популярное
• DIY или Сделай сам
• Электроника для начинающих