Преобразователь постоянного тока в постоянный — это электронная схема или электромеханическое устройство, которое преобразует источник постоянного тока (DC) с одного уровня напряжения в другой. Это тип преобразователя электроэнергии . Уровни мощности варьируются от очень низких (маленькие батареи) до очень высоких (передача энергии высокого напряжения).
До разработки силовых полупроводников одним из способов преобразования напряжения постоянного тока в более высокое для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора, затем повышающего трансформатора и , наконец, преобразователя. выпрямитель . [1] [2] Там, где требовалась более высокая мощность, часто использовался двигатель-генератор , в котором электродвигатель приводил в движение генератор, производивший желаемое напряжение. (Двигатель и генератор могли быть отдельными устройствами или могут быть объединены в единый «динамоторный» блок без внешнего силового вала.) Эти относительно неэффективные и дорогие конструкции использовались только тогда, когда не было альтернативы, например, для питания автомобильного радиоприемника. (в которых затем использовались термоэмиссионные клапаны (лампы), требующие гораздо более высокого напряжения, чем от автомобильного аккумулятора 6 или 12 В). [1] Внедрение силовых полупроводников и интегральных схем сделало его экономически выгодным за счет использования методов, описанных ниже. Например, первый вариант — это преобразование источника постоянного тока в высокочастотный переменный ток на входе трансформатора — он небольшой, легкий и дешевый из-за высокой частоты — который изменяет напряжение, которое выпрямляется обратно в постоянный ток. [3] Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высокого напряжения, некоторые радиолюбители продолжали использовать вибрационные источники питания и динамомоторы для мобильных трансиверов , требующих высокого напряжения, хотя транзисторные источники питания были доступны. [4]
Хотя можно было получить более низкое напряжение из более высокого с помощью линейного регулятора или даже резистора, эти методы рассеивали избыточное напряжение в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с помощью полупроводниковых импульсных схем.
Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры , которые питаются в основном от аккумуляторов . Такие электронные устройства часто содержат несколько подсхем , каждая из которых имеет свои собственные требования к уровню напряжения, отличные от напряжения, подаваемого от батареи или внешнего источника питания (иногда выше или ниже напряжения питания). Кроме того, напряжение аккумулятора снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают метод повышения напряжения при частично пониженном напряжении батареи, тем самым экономя место вместо использования нескольких батарей для достижения той же цели.
Большинство схем преобразователей постоянного тока в постоянный также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают высокоэффективные источники питания для светодиодов , которые представляют собой своего рода преобразователи постоянного тока в постоянный, регулирующие ток через светодиоды, и простые зарядные насосы , которые удваивают или утраивают выходное напряжение.
Преобразователи постоянного тока в постоянный, которые предназначены для максимизации сбора энергии для фотоэлектрических систем и ветряных турбин, называются оптимизаторами мощности .
Трансформаторы, используемые для преобразования напряжения на частотах сети 50–60 Гц, должны быть большими и тяжелыми для мощностей, превышающих несколько ватт. Это делает их дорогими, они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, в которых используются трансформаторы или индукторы, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, легких и дешевых компонентов обмотки. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительно выпрямить сетевое напряжение в постоянный ток, использовать методы переключения для преобразования его в высокочастотный переменный ток желаемого напряжения, а затем, как правило, выпрямить в постоянный ток. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности. Преобразователи постоянного тока в постоянный широко используются в микросетях постоянного тока с различными уровнями напряжения.
Импульсные преобразователи или преобразователи постоянного тока в постоянный ток временно сохраняют входную энергию, а затем передают эту энергию на выход при другом напряжении, которое может быть выше или ниже. Хранение может осуществляться либо в компонентах накопления магнитного поля (индукторы, трансформаторы), либо в компонентах накопления электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Импульсное преобразование зачастую более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, при котором нежелательная мощность рассеивается в виде тепла. Для обеспечения эффективности требуется быстрое время нарастания и спада полупроводниковых устройств; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схем. [5] Более высокая эффективность импульсного преобразователя снижает необходимость в теплоотводе и увеличивает срок службы батарей портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов благодаря использованию силовых полевых транзисторов , которые способны переключаться более эффективно с меньшими потерями переключения на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы , и использовать менее сложную схему управления. Еще одним важным усовершенствованием преобразователей постоянного тока является замена обратного диода синхронным выпрямлением [6] с использованием силового полевого транзистора, «сопротивление открытого состояния» которого значительно ниже, что снижает потери на переключение. До широкой доступности силовых полупроводников маломощные синхронные преобразователи постоянного тока в постоянный состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий ламповый или полупроводниковый выпрямитель, или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.
Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный предназначены для передачи энергии только в одном направлении: от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных стабилизаторов можно сделать двунаправленными и обеспечить возможность подачи мощности в любом направлении, заменив все диоды активным выпрямлением с независимым управлением . Двунаправленный преобразователь полезен, например, в приложениях, требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где мощность подается на колеса во время движения, но подается от колес при торможении.
Хотя для них требуется мало компонентов, импульсные преобразователи сложны с электронной точки зрения. Как и все высокочастотные схемы, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и поддержания шума переключения ( ЭМП/РЧП ) на приемлемом уровне. [7] Их стоимость выше, чем у линейных стабилизаторов в приложениях с падением напряжения, но их стоимость снижается с развитием конструкции микросхем.
Преобразователи постоянного тока в постоянный доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих небольшого количества дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных модулей гибридной схемы , готовых к использованию в электронной сборке.
Линейные регуляторы , которые используются для выдачи стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входного сигнала путем рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла , можно буквально описать как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это не обычно. Применение. (То же самое можно сказать и о простом резисторе, стабилизирующем напряжение , независимо от того, стабилизирован он или нет стабилизатором напряжения или стабилитроном .)
Существуют также простые схемы емкостного удвоителя напряжения и схемы умножителя Диксона , в которых используются диоды и конденсаторы для умножения напряжения постоянного тока на целое значение, обычно обеспечивающие лишь небольшой ток.
В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается и высвобождается из магнитного поля в индукторе или трансформаторе , обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения/выключения), можно легче контролировать количество мощности, передаваемой в нагрузку, хотя этот контроль также можно применить к входному току, выходной ток или для поддержания постоянной мощности. Преобразователи на основе трансформаторов могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин « преобразователь постоянного тока в постоянный» относится к одному из таких переключающих преобразователей. Эти схемы являются сердцем импульсного источника питания . Существует множество топологий. В этой таблице представлены наиболее распространенные из них.
Кроме того, каждая топология может быть:
Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный могут работать в двух режимах в зависимости от тока в его основной магнитной составляющей (индукторе или трансформаторе):
Преобразователь может быть рассчитан на работу в непрерывном режиме при большой мощности и в прерывистом режиме при малой мощности.
Топологии полумоста и обратного хода схожи тем, что энергия, накопленная в магнитном сердечнике , должна рассеиваться, чтобы сердечник не насыщался. Передача мощности в обратноходовой схеме ограничена количеством энергии, которая может храниться в ядре, тогда как в прямой схеме обычно ограничиваются ВАХ переключателей.
Хотя МОП-транзисторы могут выдерживать одновременный полный ток и напряжение (хотя термическая нагрузка и электромиграция могут сократить среднее время безотказной работы ), биполярные переключатели обычно не могут требовать использования демпфера (или двух).
В сильноточных системах часто используются многофазные преобразователи, также называемые чередующимися преобразователями. [9] [10] [11] Многофазные регуляторы могут иметь лучшие пульсации и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы. [12]
Многие материнские платы для ноутбуков и настольных компьютеров включают в себя чередующиеся понижающие стабилизаторы, иногда в виде модуля стабилизатора напряжения . [13]
Особенностью этих преобразователей является то, что энергия течет в обоих направлениях преобразователя. Эти преобразователи обычно используются в различных приложениях и подключаются между двумя уровнями постоянного напряжения, где энергия передается с одного уровня на другой. [14]
Несколько изолированных двунаправленных преобразователей постоянного тока в постоянный также часто используются в случаях, когда необходима гальваническая развязка . [15]
Преобразователи с переключаемыми конденсаторами основаны на поочередном подключении конденсаторов к входу и выходу в разных топологиях. Например, понижающий преобразователь с переключаемыми конденсаторами может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это обеспечит ту же выходную мощность (за исключением потери эффективности менее 100%) при, в идеале, половине входного напряжения и удвоенном 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. [16] Они также используются при чрезвычайно высоких напряжениях, поскольку при таком напряжении магнитные элементы выходят из строя.
Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из соединенных вместе электродвигателя и генератора. Динамотор сочетает в себе обе функции в одном блоке с катушками для функций двигателя и генератора, намотанными вокруг одного ротора; обе катушки имеют одни и те же катушки внешнего поля или магниты. [4] Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, тогда как катушки генератора выводятся на другой коммутатор на другом конце вала. Весь ротор и вал в сборе меньше по размеру, чем пара машин, и не могут иметь открытых приводных валов.
Двигатели-генераторы могут преобразовывать любую комбинацию стандартов напряжения и фазы постоянного и переменного тока. Большие мотор-генераторные установки широко использовались для преобразования промышленного количества электроэнергии, в то время как меньшие агрегаты использовались для преобразования энергии аккумуляторов (6, 12 или 24 В постоянного тока) в высокое напряжение постоянного тока, которое требовалось для работы оборудования с вакуумными лампами (термоэлектронными клапанами). .
Для более низких требований к мощности при напряжении, превышающем напряжение автомобильного аккумулятора, использовались источники питания с вибратором или «зуммером». Вибратор колебался механически, с контактами, которые переключали полярность батареи много раз в секунду, эффективно преобразуя постоянный ток в прямоугольный переменный ток, который затем можно было подавать на трансформатор требуемого выходного напряжения. [1] Он издал характерный жужжащий звук.
Еще один способ преобразования постоянного тока в постоянный в диапазоне киловатт в мегаватт представлен использованием проточных окислительно-восстановительных батарей , таких как ванадиевые окислительно-восстановительные батареи .
Преобразователи постоянного тока в постоянный подвержены различным типам хаотической динамики, таким как бифуркация , [17] кризис и перемежаемость . [18] [19]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )