Расчет бустерной схемы для получения максимальной мощности от батареи

Цель данной статьи – показать, как можно рассчитать режим работы бустерного (от англ. Booster) преобразователя напряжения (БПН) постоянного тока так, чтобы извлекать максимум возможной мощности из батареи с постоянным внутренним сопротивлением.

Зачастую на практике используются интегральные микросхемы (ИМС), в которых на аппаратном уровне идет контроль получаемой мощности (например, SPV1040), но цена таких приборов достаточно высока.
Бывают случаи, когда создается простое устройство на батарейке, например – светодиодный фонарик. Хочется, чтобы батарейка использовалась рационально, но затраты на это должны быть адекватными.
Для простых схем, где сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление батарейки известны заранее, существует метод расчета режима работы бустерного преобразователя напряжения.

Бустерный преобразователь напряжения

Разберемся, что же это за преобразователь.
Общая схема типичного БПН изображена на рисунке:

image

Здесь изображены n батарей с собственными бустерными блоками. В частном случае можно обойтись одним.
При замыкании ключа ток устремляется на «минус». Ток через индуктивность возрастает (но он не должен достичь величины тока КЗ, иначе энергия будет тратиться впустую), индуктивность накапливает энергию.

Затем ключ размыкают. Ток через индуктивность не может измениться мгновенно, она создает дополнительную ЭДС, отдавая в цепь накопленную раннее энергию. Т.о. напряжение на нагрузке в этот момент больше, чем дала батарея.
Диод нужен, чтобы ток с конденсатора на выходе не шел обратно. Чаще всего это диод Шоттки с малым падением напряжения.

Максимум мощности

Из школьного курса физики мы знаем, что максимум мощности источника тока с ненулевым внутренним сопротивлением достигается при равенстве входного и внешнего сопротивления.
Запишем основные токи цепи:

image

Здесь emf – ЭДС батареи, r – внутреннее сопротивление, Rn – сопротивление нагрузки.
Не вдаваясь в подробности вывода, приведу формулы возрастания и убывания тока:

image

После некоторых преобразований получаем средние значения:

image

При соблюдении следующих условий будет достигнута максимальная мощность:

image

Данную систему можно численно решить в математических программах, например: MathCad, MathLab.

Рекомендации к практическому применению:

1. Использовать этот метод можно только для известной постоянной величены Rin и известного сопротивления нагрузки;
2. Параллельно батарее нужно включить конденсатор;
3. После данной схемы следует использовать модуль DC-DC;
4. Лучше всего поставить дешевый слабый контроллер с поддержкой генерации ШИМ, например: серия ATtiny, салбые ATmega, можно подыскать что-то из PIC-ов;
5. Т.к. схема работает, как генератор тока, можно объединять несколько блоков на общий конденсатор без согласования.
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More
Ads

Comments 14

    +1
    После данной схемы следует использовать модуль DC-DC
    Зачем? DC-DC это и есть такой же конвертер (повышающий или понижающий). Зачем делать двойное преобразование?
      0
      Видимо, имелся в виду линейный регулятор…
        +1
        Тогда еще печальнее: бороться за максимальный КПД, чтобы потом греть атмосферу линейным регулятором.
          0
          Не всегда — ведь может на входе 12В, высокоэффективным дц-дц снижают до 5.5В, а потом выравнивают LDO для питания какой-нибудь нежной 5В электроники.
        0
        Этот модуль предназначен только для получения максимума мощности от батареи, а напряжение на выходе может плавать в зависимости от сопротивления нагрузки, поэтому нужен еще регулятор
          0
          Не рассматривали обратную связь по напряжению, чтобы преобразователь выполнял заодно и функции стабилизатора?
            0
            Там прикол в том, что максимум мощности будет при определенном токе, а при таком токе напряжение на нагрузке будет разным в зависимости от сопротивления. А для другого напряжения нужен другой ток, а при нем уже мощность меньше.
              0
              Мне кажется, немного неправильно поставлена цель: отбирать максимальную мощность. Обычно стремятся максимизировать КПД, а мощность нужно отбирать ровно такую, какую требует нагрузка (плюс потери).
        +3
        Если требуется стандартное выходное напряжение — то есть, вольт до 30, то, ИМХО, нет смысла вообще самому делать бустер.
        Есть отличные интегральные решения с эффективностью до 97 процентов, нужно только грамотно развести плату. САПРы от производителей, обычно, сами подбирают оптимальные номиналы компонентов (часто есть онлайн расчет, включающий в себя не только расчет номиналов, но и тепловой, расчет пульсаций и прочее).

        Самому проектировать бустер имеет смысл, если нужны нестандартные параметры, под которые не найдешь интегрального решения. Например, для питания ламп-индикаторов, которым требуется сотня-другая вольт. На этот счет есть полезный апноут от микрочипа.
          +1
          Да и для питания индикаторных ламп (в моем случае — ИН-12) копеечная mc34063, например, отлично справляется со 160в анодного.
            0
            Тем более)
            Ну может, будет какой-нибудь совсем нестандартный случай. Но вообще это редкость сейчас.
            0
            Еще один случай, когда имеет смысл самостоятельно рассчитывать преобразователь — если требуется максимально удешевить устройство. Тогда на одном контроллере делаем и бустер, и «мозги». Но это уже China-way.
              0
              Да, точно. Я, кажется, даже видел такое решение. В каком-то китайском павер-банке. Там на 8-битке общего назначения сделан контроллер заряда аккумов и степ-даун.
            0
            Эх, больная тема для вейперов…

            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.