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.
Разберемся, что же это за преобразователь.
Общая схема типичного БПН изображена на рисунке:
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 ��ратиться 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.
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:
Здесь emf – ЭДС батареи, r – внутреннее сопротивление, Rn – сопротивление нагрузки.
Не вдаваясь в подробности вывода, приведу формулы возрастания и убывания тока:
После некоторых преобразований получаем средние значения:
При соблюдении следующих условий будет достигнута максимальная мощность:
Данную систему можно численно решить в математических программах, например: MathCad, MathLab.
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.
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:
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 ��ратиться 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:
Здесь emf – ЭДС батареи, r – внутреннее сопротивление, Rn – сопротивление нагрузки.
Не вдаваясь в подробности вывода, приведу формулы возрастания и убывания тока:
После некоторых преобразований получаем средние значения:
При соблюдении следующих условий будет достигнута максимальная мощность:
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.
