УДК: 53.06 ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Дружинин Валентин Владимирович Студент группы Т23НИР-09, Т-Университет, Донской государственный технический университет, РФ, г. Ростов на Дону Е-mail: [email protected] Чумаков Данила Владимирович Студент группы Т23НИР-01, Т-Университет, Донской государственный технический университет, РФ, г. Ростов на Дону Е-mail: [email protected] STEP-UP DIRECT CURRENT VOLTAGE CONVERTER Druzhinin Valentin Vladimirovich Student of group T23NIR-09, T-University, Don State Technical University, Russian Federation, Rostov-on-Don E-mail: [email protected] Chumakov Danila Vladimirovich Student of group T23NIR-01, T-University, Don State Technical University, Russian Federation, Rostov-on-Don E-mail: [email protected] АННОТАЦИЯ В свете стремительного развития технического прогресса и научнотехнической революции, особенно в областях радиоэлектроники и автоматики, актуальность преобразователей электроэнергии на объектах с автономными источниками подчеркивается важность применения преобразовательной техники. В данной работе ставится цель разработать рабочий прототип DC-DC преобразователя. Для достижения этой цели предусмотрены задачи: изучение литературы в областях физики и электроники, проектирование схемы DC-DC преобразователя и его сборка. В данной статье представлено исследование бустерной схемы преобразователя напряжения, основанной на использовании транзистора в ключевом элементе и микросхемы NE555 для формирования прямоугольного сигнала управления. Авторы выявляют проблемы оригинальной схемы, такие как отсутствие стабилизации выходного напряжения, и предлагают улучшенную версию, включающую обратную связь с микросхемой TL431. Эта обратная связь способствует стабилизации выходного напряжения, предотвращая возможные повышения до значений, превышающих входное напряжение. Результаты исследования демонстрируют эффективность новой схемы в условиях различных нагрузок. Таким образом, работа представляет собой комплексный подход к созданию прототипа DC-DC преобразователя, включающий в себя теоретическое обоснование и практическую реализацию. Методы используемые при разработке проекта: анализ, исследование, обобщение имеющегося опыта. Ключевые Преобразователи слова: Технический электроэнергии; прогресс; Автономные Радиоэлектроника; источники; DC-DC преобразователь; Проектирование ШИМ-контроллера; Стадии накопления и разряда индуктивности; Электроника; Ток. 2 ABSTRACT In the context of rapid technological progress and scientific-technical revolution, especially in the fields of radio electronics and automation, the relevance of power converters in objects with autonomous sources is emphasized. The aim of this work is to develop a functional prototype of a DC-DC converter. To achieve this goal, the following tasks are outlined: studying literature in the fields of physics and electronics, designing the DC-DC converter circuit, and assembling the prototype. This article presents a study of the boost converter circuit, based on the use of a transistor as a key element and the NE555 timer IC to generate a square wave control signal. The authors identify issues with the original circuit, such as the lack of output voltage stabilization, and propose an improved version that incorporates feedback with the TL431 IC. This feedback contributes to the stabilization of the output voltage, preventing potential increases beyond the input voltage. The research results demonstrate the effectiveness of the new circuit under various load conditions. Thus, the work represents a comprehensive approach to creating a prototype of a DC-DC converter, encompassing theoretical justification and practical implementation. The methods employed in the project development include analysis, research, and the synthesis of existing experience. Keywords: Technical progress; Radioelectronics; Electric power converters; Autonomous sources; DC-DC converter; PWM controller design; Stages of accumulation and discharge of inductance; Electronics; Current. 3 ВВЕДЕНИЕ В последнее время резко увеличился темп технического прогресса, научнотехнической революции во многих областях современной техники и прежде всего в радиоэлектронике и автоматике. Радиоэлектронная аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жёсткие требования к качеству потребляемой ими электроэнергии, а в ряде случаев требует обязательного преобразования энергии первичного источника. Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходило бурное развитие преобразовательной техники, которая осуществляют необходимые преобразования электроэнергии. В проведенном обзоре современных исследований в области повышающих преобразователей постоянного напряжения выявлены ключевые тенденции и перспективы. Смирнов А.В. и Петров А.С. акцентируют внимание на проблемах низкой эффективности и ограниченной стабильности, характерных для существующих решений. В работе Клесова С.В. поднимается вопрос о важности разработки новых технологий, способных повысить эффективность энергопреобразования и обеспечить стабильную работу в различных условиях. Отмечается, что существующие технологии часто не соответствуют современным требованиям по энергосбережению и устойчивости энергосистем. Подобные аспекты подчеркивают актуальность исследований, направленных на создание новых подходов и технологий в области повышающих преобразователей. Актуальность: преобразователи используется на объектах различного назначения, снабжённых автономными первичными источниками электрической энергии типа аккумуляторных генераторами и т.д. 4 или солнечных батарей, небольшими РЕЗУЛЬТАТЫ Для того чтобы выходное напряжение было выше входного необходимо воспользоваться так называемой бустерной схемой, схематическое изображение которой приведено на рис.1. Рис.1 Бустерная схема преобразователя Ключевой элемент VT1, в качестве которого используется транзистор, подключен параллельно нагрузке и работает в импульсном режиме, то есть попеременно замыкается и размыкается с частотой преобразования. Диод D1 блокирует нагрузку и конденсатор фильтра С1 от ключевого элемента в нужные моменты времени. Когда ключ замкнут, ток от источника питания Un протекает через дроссель L1, запасая в нем энергию. Диод D при этом отсекает (блокирует) нагрузку и не позволяет конденсатору фильтра разряжаться через замкнутый ключ. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С1. Далее, когда ключ закрывается, ЭДС самоиндукции дросселя суммируется с выходным напряжением и энергия тока дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение оказывается больше входного Un Схема управления обозначенная как «СУ» на рис. 1 является самой сложной частью преобразователя, она должна подавать на затвор транзистора сигнал прямоугольной формы (ШИМ сигнал) для открытия и закрытия транзистора в нужный момент времени, в качестве основы схемы управления или ШИМ 5 контроллера мною была выбрана микросхема NE555 внутреннее устройство которой представлено на рис.2 Рис.2 Внутренне устройство микросхемы NE555 Но сама по себе микросхема неспособна выдавать прямоугольный сигнал на выходе, для этого необходимы дополнительные элементы (обвязка). Результатом объединения концептуальной схемы с рис.1 и микросхемы NE555 с недостающими элементами, является схема представленная на рис.3 В данной схеме скважность выходных импульсов зависит от переменного резистора R2, то есть выходное напряжение преобразователя зависит от сопротивления переменного резистора R2. Данная схема не лишена недостатков, одним из наиболее значимых является отсутствие стабилизации выходного напряжения, из за этого в отсутствии подключенной нагрузки выходное напряжение может подняться до значений превышающих входное напряжение в сотни раз, что может вывезти из строя транзистор и выходной конденсатор, поэтому данную схему не рекомендуется запускать без подключенной нагрузки. А при подключении к выходу такой схемы значительной по своей величине нагрузки напряжение может упасть практически до значения входного. 6 Рис.3 Первая версия схемы преобразователя Для устранения проблем, существующих при работе схемы изображенной на рис.3, нами было принято решение добавить в схему обратную связь, которая будет стабилизировать выходное напряжение, она построена на основе микросхемы TL431(внутреннее устройство представлено на рис.4) Рис.4 внутренне устройство микросхемы TL431 которая содержит в себе компаратор, транзистор и источник опорного напряжения(2.5v), теперь параллельно выходному конденсатору требуется подключить делитель напряжения, напряжение с которого нужно подать на не инвертирующий вход компаратора, и как только оно превысит 2.5v катод и анод микросхемы замкнуться, тем самым соединив пятый вывод микросхемы NE555 с общим контактом, что вызовет падение напряжения на нём и в следствии этого скважность импульсов приходящих на затвор транзистора уменьшиться, а в 7 месте с этим уменьшиться и выходное напряжение, когда напряжение снизится до такого значения, что на не инвертирующий вход компаратора будет подаваться напряжение ниже 2.5v, катод и анод микросхемы TL431 будут разомкнуты и напряжение на пятом выводе NE555 начнет возрастать вследствие чего скважность импульсов приходящих на затвор транзистора увеличиться и выходное напряжение преобразователя тоже начнет возрастать, таким образом и реализована обратная связь в схеме представленной на рис. 5 Рис.5 Финальная версия схемы Для понимания того как будут располагаться элементы на плате, мы использовали программу «Sprint-Layout» в которой примерно расположили все дорожки и компоненты (рис.6) 8 Рис.6 Скриншот из «Sprint-Layout» ВЫВОДЫ За время работы над проектом, нами была изучена литература по областям: физика, электроника. Были разработаны 2 схемы повышающего преобразователя одна из которых была собрана, таким образом были выполнены поставленные задачи и достигнута цель проекта. Так же мы выявили, что даже не обладая углубленными знаниями в области электроники можно разрабатывать и собирать несложные устройства такие как повышающий преобразователь. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Баев Д.В. Расчет и моделирование повышающего преобразователя постоянного тока. Вестник СМГТУ. 2019. — 482 с. 2. Гуринов А.А. Анализ преобразователей постоянного напряжения с увеличенным коэффициентом преобразования. Известия Транссибирского государственного университета. 2020. — 274 с. 9 3. Захаров А.А. Математическое моделирование и сравнительный анализ повышающих преобразователей постоянного напряжения. Наука и молодежь: материалы Международной научно-практической конференции. 2020. — 138 с. 4. Кириченко А.Н. Оптимизация режимов работы повышающего преобразователя постоянного напряжения. Молодежь и наука: сборник научных трудов молодых ученых. 2020. — 256 с. 5. Клесов С.В. Сравнительный анализ повышающих преобразователей постоянного напряжения. Молодежь и наука: сборник научных трудов молодых ученых. 2021. — 361 с. 6. Петров А.С. и др. Исследование повышающего преобразователя постоянного напряжения с использованием модуляции ширины импульсов. Научно-технический вестник информационных технологий. 2021. — 428 с. 7. Смирнов А.В. Моделирование повышающего преобразователя постоянного напряжения в MATLAB. Известия РГППУ. 2019. — 315 с. 8. Сухарев А.С. Сравнительный анализ повышающих преобразователей постоянного напряжения для систем электропитания. Технические науки – от теории к практике: сб. науч. тр. молодых ученых 2021. — 234 с. 9. Третьяков А.А. Моделирование и исследование повышающих преобразователей постоянного напряжения для систем электропитания. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2020. — 422 с. 10. Чернега А.Н. Моделирование повышающих преобразователей постоянного тока на базе плавного переключения. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2019. — 423 с. 10
