Повышающий стабилизатор напряжения (Troyka-модуль). Высоковольтный модуль где используется? Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Высоковольтный модуль зажигания применяется для самозащиты и изготовления современной техники. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками. Как это сделать и где можно найти готовые изделия, расскажет эта статья.

Описание

Высоковольтный модуль - это блок с 4 проводами, 2 из которых необходимы для подключения питания. Как видим, ничего сложного.

Если нужен высоковольтный модуль, его можно приобрести в интернет-магазине или изготовить собственными руками. Готовое устройство работает от пальчиковых литиевых батареек с 3,6 до 6 вольт на входе. На выходе может выдаваться мощность в 400 вольт.

Генератор имеет в составе 4 провода. Для проверки качества покупки можно взять модуль литий-ионного аккумулятора на 3,7 вольта. По параметрам между электродами должна пролетать искра до 2 см.

Такие работы необходимо производить особенно аккуратно. Разведите провода высоковольтного модуля и подсоедините их к аккумулятору. При подаче питания отмечается звуковой эффект в виде свиста. Также произойдет разряд, длина воздействия которого - 1,5-2 см.

Как это работает

Демонстрация работы модуля высоковольтного преобразователя может производиться с использованием генератора. Для этого необходимо питание от бесперебойника на 12 вольт и лампа на 25 Вт. При подсоединении проводов она горит полным накалом.

Описание изготовления высоковольтных генераторов

Умение мастерить выручает не раз в жизни. К примеру, хорошие высоковольтные генераторы стоят достаточно дорого. К тому же их сложно достать. Но ведь высоковольтный модуль успешно можно изготовить своими руками. Для этого понадобится шаговый двигатель, который может прекрасно работать в режиме генерации.

Прямо на вал шаговика присоединяют ручку, вращают ее и заряжают телефон в походных условиях. Эту зарядку можно изготовить своими руками за несколько минут.

Усовершенствование моделей

Есть множество подобных изобретений, но мощность их недостаточно высока. Для зарядки телефона нужно как минимум 2 Вт на выходе такого моторчика для старой модели мобильного устройства и не менее 5 Вт - для современного смартфона.

Где взять высоковольтный модуль с хорошей мощностью? Попытаемся его сделать самостоятельно. Подберем удобную ручку вращения для шаговика, все выводы проводов подсоединим по схеме. Результирующие выводы постоянного тока будут идти на ваттметр и на нагрузку, которая подобрана под этот двигатель и под обороты по оптимальным параметрам.

Какую же мощность удастся развить на крупном шаговом двигателе при оборотах в количестве 120 в минуту? Начнем опыт. Ваттметр показывает 0,8 Вт при напряжении 6 вольт и токе 0,11-0,12 ампер. При более быстром вращении пиковая цифра достигает 1 ампера, но это при очень быстрых оборотах.

Следовательно, подобное устройство требует усовершенствования. Нужен преобразователь, повышающий обороты в 3-4 раза, чтобы успешно можно было заряжать телефон в походных условиях.

Для этого применяется коллекторный моторчик. Можно сделать ременную передачу на этот двигатель, чтобы повысить его обороты в 3 раза. Получится установка с диаметром шкива, который в 3 раза больше того, который установлен на шаговом двигателе. Теперь такое устройство будет вращаться в 3 раза быстрее, что позволит достигнуть показателей в 2-2,2 Вт. При этом напряжение - 17 вольт, ток - 0,12-0,13 ампер. Такая мощность уже более значительна. Если устройство закрепить на столе, крутить ручку достаточно просто.

Чем больше обороты, тем больше полезной мощности может выдать генератор.

Делаем электрошокер: подготовка

Электрошоковые устройства могут быть очень мощными. Законом разрешено использовать устройства до 3 Ватт, которые не способны нанести тяжкий вред здоровью, но гарантируют довольно сильный удар током и ожог.

Схема устройства следующая:

• источник питания;
• повышающий преобразователь;
• высоковольтный умножитель напряжения.

Можно использовать обычный литий-ионный аккумулятор компактных размеров, лучше - литий-железофосфатный. Он имеет меньшую емкость при одинаковом весе, а номинальное напряжение составляет 3,2 вольт против 3,7 вольта в литий-ионном варианте.

Такое устройство обладает массой преимуществ:

• При собственной емкости всего в 700 мА/часов такой способен отдавать токи в 30-50 А.
• Имеет срок службы 10-15 лет.
• Способен работать при температуре до -30 градусов без утраты емкости и прочих негативных последствий.
• Экологически чист, безопасен, не вздувается и не взрывается.
• Утрачивает емкость гораздо медленнее.
• Не так чувствителен к параметрам зарядного устройства, может быть заряжен большими токами, не перегреваясь.

Для преобразователя можно использовать готовую модель из Китая. Или изготовить его собственными руками. Самое важное в таком устройстве - трансформатор. Его можно взять от дежурного источника неработающего блока питания компьютера. Желательно, чтобы он был удлиненного типа, что облегчит процесс мотания.

Собираем устройство

Трансформатор нужно разобрать, извлечь сердечник и нагревать его паяльной лампой в течение 5-10 минут. Структура клея ослабеет, и половинкам легче будет разъединиться.

Внутри есть зазор. Удаление половинок в сердечнике сменяется этапом смотки всех заводских обмоток, остается только поверхность голого каркаса.

Правила выполнения намоточных движений

Высоковольтный модуль для электрошокера требует, чтобы была выполнена намотка первичного типа трансформаторной обмотки. Длину провода в 0,5 мм складывают в два раза. Оптимальные показатели диаметра - от 0,4 до 0,7 мм. Потребуется намотать не менее 8 витков и вывести второй конец проводов наружу.

Изолируем намотанную обмотку при помощи нескольких слоев фторопласта или прозрачного скотча. К тонкому поводу, толщина которого не более 0,05 мм, припаивается кусок многожильного провода, помещенного в толстую изоляцию.

Места, где была выполнена пайка, изолируем при помощи термоусадки. Выводим провод и фиксируем его термоклеем, чтобы случайно не оборвать в процессе обмотки.

Наматываем первичную обмотку, по 100-120 витков, чередуя ее с несколькими слоями изоляции. По своему принципу намотка проста: ряд - слева направо, второй - справа налево, с изоляцией между ними. Так повторяем от 10 до 12 раз.

После того, как намотка выполнена, провода срезаются, к ним припаиваются многожильные высоковольтные провода и термоусадка. Все фиксируют посредством нескольких слоев прозрачным скотчем и собирают трансформатор.

Если не хотите так долго наматывать витки, можно приобрести готовые модули в китайских интернет-магазинах по вполне доступной стоимости или изготовить высоковольтный модуль своими руками.

Испытание устройства

Следующая часть умножителя напряжения - высоковольтные диоды и конденсаторы, которые можно взять от компьютерного блока питания. Диоды нужны также высоковольтного типа. Их напряжение должно быть от 4 кВт. Такие элементы также можно приобрести в интернет-магазинах.

Корпусом может служить коробка от фонарика или плеера, но обязательно из диэлектрического материала: пластмассы, бакелита, стеклотекстолита.

Умножитель с высоковольтным преобразователем рекомендуется залить эбокситной смолой, расплавленным воском или термоклеем. Последний может сильно деформировать корпус, если не поместить его в емкость с холодной водой.

Электроды можно взять от обычной вилки. Шокер снабжен предохранительным выключателем для защиты от случайного включения. Для активации устройства его снимают с предохранителя. Загорается индикаторный светодиод, затем нажимают на кнопку.

Высоковольтный модуль - преобразователь напряжения успешно показывает работоспособность в электрошокере. Зарядное устройство построено на базе микросхемы, где на вход модуля подается напряжение в 5 вольт, на выходе в 3,6 вольта. Такая зарядка позволяет питать девайс от любого USB-порта.

С помощью припоя можно сделать защитные разрядники, ограничивающие длину дуги для безопасной работы высоковольтного преобразователя. Шокер готов.

Изготовление высоковольтного модуля из энергосберегающей лампы

И такое устройство можно без труда изготовить своими руками. Вот только где взять высоковольтный модуль? Можно использовать обычную лампочку накаливания. Вначале мотаем не более 80 мотков. Второй слой - 400-600 витков. Между каждым слоем не забываем делать изоляцию из скотча.

Для испытания устройства подключим его через ограничительную лампочку в 35 Вт. Получился достаточно мощный высоковольтный модуль зажигания.

Сферы применения продукции

Где используется высоковольтный модуль? Такие устройства широко используются для изготовления современной аппаратуры, могут служить лабораторным генератором высокого напряжения. С помощью такого устройства можно построить самодельный шокер, систему для поджигания топлива в форсунке или двигателе.

Можно использовать для обеспечения питания портативного счетчика Гейгера, дозиметра, разновидностей аппаратуры, требующей высоких показателей напряжения с питанием, которое имеет небольшую мощность.

Устройство микросхемы включено в режиме «Мультивибратор» при показателях частоты, регулируемой в зависимости от того, каковы характеристики трансформатора. Высокий уровень, который показывает выходной сигнал тока, протекающий по резистору и первичной обмотке трансформатора, способен зарядить конденсатор 10 мкф. Для того, чтобы изготовить электрошок, потребуется устройство трансформатора, коэффициент умножения которого составляет 1 к 400 и выше.

Для получения искры в 1 мм нужны показатели напряжения около 1000 В. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками.

Входные напряжения до 61 В, выходные напряжения от 0.6 В, выходные токи до 4 А, возможность внешней синхронизации и настройки частоты, а также подстройки тока ограничения, подстройка времени плавного запуска, комплексные защиты нагрузки, широкий рабочий диапазон температур – все эти особенности современных источников питания достижимы при помощи новой линейки DC/DC-преобразователей производства .

В настоящий момент номенклатура микросхем импульсных регуляторов производства компании STMicro (рисунок 1) позволяет создавать источники питания (ИП) со входными напряжениями до 61 В и выходными токами до 4 А.

Задача преобразования напряжения не всегда проста. Каждое конкретное устройство предъявляет свои требования к регулятору напряжения. Иногда главную роль играет цена (потребительская электроника), габариты (портативная электроника), эффективность (устройства с батарейным питанием) или даже скорость разработки изделия. Эти требования зачастую противоречат друг другу. По этой причине не существует идеального и универсального преобразователя напряжения.

В настоящее время применяется несколько типов преобразователей: линейные (стабилизаторы напряжения), импульсные DC/DC-преобразователи, схемы с переносом заряда и даже источники питания на гальванических изоляторах.

Однако наиболее распространенными остаются линейные регуляторы напряжения и понижающие импульсные DC/DC-преобразователи. Основное отличие функционирования этих схем видно из названия. В первом случае силовой ключ работает в линейном режиме, во втором – в ключевом. Основные достоинства, недостатки и области применения этих схем приведены ниже.

Особенности работы линейного регулятора напряжения

Принцип работы линейного регулятора напряжения хорошо известен. Классический интегральный стабилизатор μA723 был разработан еще в 1967 году Р. Видларом. Несмотря на то, что электроника с тех пор ушла далеко вперед, принципы функционирования остались практически неизменными .

Стандартная схема линейного регулятора напряжения состоит из ряда основных элементов (рисунок 2): силового транзистора VT1, источника опорного напряжения (ИОН), схемы компенсационной обратной связи на операционном усилителе (ОУ). Современные регуляторы могут содержать дополнительные функциональные блоки: схемы защиты (от перегрева, от перегрузки по току), схемы управления питанием и др.

Принцип работы таких стабилизаторов достаточно прост. Схема обратной связи на ОУ сравнивает величину опорного напряжения с напряжением выходного делителя R1/R2. На выходе ОУ формируется рассогласование, определяющее напряжение «затвор-исток» силового транзистора VT1. Транзистор работает в линейном режиме: чем больше напряжение на выходе ОУ, тем меньше напряжение «затвор-исток», и тем больше сопротивление VT1.

Такая схема позволяет компенсировать все изменения входного напряжения. Действительно, предположим, что входное напряжение Uвх увеличилось. Это вызовет следующую цепочку изменений: Uвх увеличилось → Uвых увеличится → напряжение на делителе R1/R2 возрастет → выходное напряжение ОУ увеличится → напряжение «затвор-исток» уменьшится → сопротивление VT1 увеличится → Uвых уменьшится.

В результате при изменении входного напряжения выходное напряжение меняется незначительно.

При уменьшении выходного напряжения происходят обратные изменения значений напряжений.

Особенности работы понижающего DC/DC-преобразователя

Упрощенная схема классического понижающего DC/DC-преобразователя (преобразователь I типа, buck-converter, step-down converter) состоит из нескольких основных элементов (рисунок 3): силового транзистора VT1, схемы управления (СУ), фильтра (Lф-Cф), обратного диода VD1 .

В отличие от схемы линейного регулятора транзистор VT1 работает в ключевом режиме.

Цикл работы схемы состоит из двух фаз: фазы накачки и фазы разряда (рисунки 4…5).

В фазе накачки транзистор VT1 открыт и через него протекает ток (рисунок 4). Происходит запасание энергии в катушке Lф и конденсаторе Сф.

В фазе разряда транзистор закрыт, ток через него не протекает. Катушка Lф выступает в качестве источника тока. VD1 – диод, который необходим для протекания обратного тока.

В обеих фазах к нагрузке прикладывается напряжение, равное напряжению на конденсаторе Сф.

Приведенная схема обеспечивает регулирование выходного напряжения при изменении длительности импульса:

Uвых = Uвх × (tи/T)

Если величина индуктивности мала, ток разряда через индуктивность успевает достичь нуля. Такой режим называют режимом прерывистых токов. Он характеризуется увеличением пульсаций тока и напряжения на конденсаторе, что приводит к ухудшению качества выходного напряжения и росту шумов схемы. По этой причине режим прерывистых токов используется редко.

Существует разновидность схемы преобразователя, в которой «неэффективный» диод VD1 заменен на транзистор. Этот транзистор открывается в противофазе с основным транзистором VT1. Такой преобразователь называется синхронным и имеет больший КПД.

Достоинства и недостатки схем преобразования напряжений

Если бы одна из приведенных схем обладала абсолютным превосходством, то вторую бы благополучно забыли. Однако этого не происходит. Это значит, что обе схемы имеют преимущества и недостатки. Анализ схем стоит проводить по широкому кругу критериев (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества и недостатки схем регуляторов напряжения

Электрические характеристики. Для любого преобразователя основными характеристиками являются КПД, ток нагрузки, диапазон входного и выходного напряжений.

Значение КПД для линейных регуляторов невелико и обратно пропорционально входному напряжению (рисунок 6). Это связано с тем, что все «лишнее» напряжение падает на транзисторе, работающем в линейном режиме. Мощность транзистора выделяется в виде тепла. Низкий КПД приводит к тому, что диапазон входных напряжений и выходных токов линейного регулятора относительно невелики: до 30 В и до 1 А.

КПД импульсного регулятора значительно выше и меньше зависит от входного напряжения. При этом не редкостью являются входные напряжения более 60 В и нагрузочные токи более 1 А.

Если используется схема синхронного преобразователя, в котором неэффективный обратный диод заменен транзистором, то КПД будет еще выше.

Точность и стабильность выходного напряжения. Линейные стабилизаторы могут иметь чрезвычайно высокую точность и стабильность параметров (доли процента). Зависимость выходного напряжения от изменения входного и от тока нагрузки не превышает единиц процентов.

Импульсный регулятор по принципу функционирования изначально имеет те же источники погрешности, что и линейный регулятор. Кроме того, на отклонение выходного напряжения может существенно сказываться величина протекающего тока.

Шумовые характеристики. Линейный регулятор обладает умеренной шумовой характеристикой. Существуют низкошумящие прецизионные регуляторы, используемые в высокоточной измерительной технике.

Импульсный стабилизатор сам по себе является мощным источником помех, так как силовой транзистор работает в ключевом режиме. Генерируемые помехи делятся на кондуктивные (передающиеся по линиям питания) и индуктивные (передаются через непроводящие среды).

От кондуктивных помех избавляются при помощи фильтров нижних частот. Чем выше рабочая частота преобразователя, тем проще избавиться от помех. В измерительных схемах импульсный регулятор часто используют совместно с линейным стабилизатором. В этом случае уровень помех значительно сокращается.

Избавиться от вредного воздействия индуктивных помех гораздо сложнее. Эти помехи возникают в катушке индуктивности и передаются по воздуху и непроводящим средам. Для их устранения используют экранированные индуктивности, катушки на тороидальном сердечнике. При разводке платы применяют сплошную заливку полигоном земли и/или даже выделяют отдельный слой земли в многослойных платах. Кроме того, сам импульсный преобразователь максимально удаляется от измерительных схем.

Эксплуатационные характеристики. С точки зрения простоты схемной реализации и разводки печатной платы линейные регуляторы предельно просты. Кроме самого интегрального стабилизатора требуется всего пара конденсаторов.

Импульсный преобразователь потребует как минимум внешнего L-C-фильтра. В ряде случаев требуется внешний силовой транзистор и внешний обратный диод. Это приводит к необходимости расчетов и моделирования, а топология печатной платы существенно усложняется. Дополнительное усложнение платы происходит из-за требования к ЭМС.

Стоимость. Очевидно, что в силу большого количества внешних компонентов импульсный преобразователь будет иметь большую стоимость.

В качестве вывода можно определить преимущественные области применения обоих типов преобразователей:

• линейные регуляторы могут применяться в маломощных низковольтных схемах с высокими точностью, стабильностью и требованиями к малым уровням шумов. Примером могут быть измерительные и прецизионные схемы. Кроме того, малые габариты и низкая стоимость итогового решения могут идеально подойти для портативной электроники и бюджетных устройств.
• импульсные регуляторы идеально подойдут для мощных низко- и высоковольтных схем в автомобильной, промышленной и бытовой электронике. Высокий КПД зачастую делает использование DC/DC безальтернативным для портативных устройств и устройств с батарейным питанием.

Иногда возникает необходимость использовать линейные регуляторы при высоких входных напряжениях. В таких случаях можно воспользоваться стабилизаторами производства компании STMicroelectronics, обладающими рабочими напряжениями более 18 В. (таблица 2).

Таблица 2. Линейные регуляторы STMicroelectronics с высоким входным напряжением

Если принято решение о построении импульсного ИП, то следует выбрать подходящую микросхему преобразователя. Выбор осуществляется с учетом ряда основных параметров.

Основные характеристики понижающих импульсных DC/DC-преобразователей

Перечислим основные параметры импульсных преобразователей.

Диапазон входных напряжений (В). К сожалению, всегда есть ограничение не только на максимальное, но и на минимальное входное напряжение. Значение этих параметров всегда выбирается с некоторым запасом.

Диапазон выходных напряжений (В). В силу ограничения на минимальную и максимальную длительность импульса, диапазон значений выходного напряжения ограничен.

Максимальный выходной ток (А). Данный параметр ограничивается целым рядом факторов: максимальной допустимой рассеиваемой мощностью, конечным значением сопротивления силовых ключей и др.

Частота работы преобразователя (кГц). Чем выше частота преобразования, тем проще произвести фильтрацию выходного напряжения. Это позволяет бороться с помехами и снижать значения номиналов элементов внешнего L-C-фильтра, что приводит к увеличению выходных токов и к уменьшению габаритов. Однако рост частоты преобразования увеличивает потери на переключение силовых ключей и увеличивает индуктивную составляющую помех, что явно нежелательно.

КПД (%) является интегральным показателем эффективности и приводится в виде графиков для различных значений напряжений и токов.

Остальные параметры (сопротивление каналов интегральных силовых ключей (мОм), собственный ток потребления (мкА), тепловое сопротивление корпуса и др.) являются менее важными, но их также следует учитывать.

Новые преобразователи производства компании STMicroelectronics имеют высокие входное напряжение и КПД, и их параметры могут быть рассчитаны при помощи бесплатной программы eDesignSuite.

Линейка импульсных DC/DC от ST Microelectronics

Портфолио DC/DC STMicro­electro­nics постоянно расширяется. Новые микросхемы преобразователей имеют расширенный диапазон входных напряжений до 61 В ( / ), высокие выходные токи, выходные напряжения от 0.6 В ( / / ) (таблица 3).

Таблица 3. Новые DC/DC STMicroelectronics

Все новые микросхемы импульсных преобразователей имеют функции плавного старта, защиты от перегрузки по току и перегрева.