Как понизить постоянное и переменное напряжение

В некоторых случаях возникает вопрос снижения напряжения до нужного уровня. Эта ситуация складывается, например, если есть источник питания, выходной уровень которого превышает допустимое значение для потребителя, или когда надо ограничить возможное напряжение, например, на датчике, во избежание выходе его из строя.

Принципы работы понижения напряжения

Уменьшить уровень напряжения на нагрузке можно различными способами. Эти методы зависят от рода тока, потребляемого устройством, от мощности нагрузки, желаемого КПД и т.п. Применяются в основном два способа снижения вольтажа:

1. Использование гасящих элементов (балласта).
2. Преобразование уровня.

В первом случае последовательно с нагрузкой включают дополнительный пассивный элемент, на котором падает излишек напряжения. Во втором применяют специальные устройства, преобразующие напряжение одного уровня в напряжение другого уровня (так можно не только снижать, но и повышать напряжение). У каждого метода есть свои преимущества и недостатки, и они зависят еще и от реализации способа.

Если применяется принцип формирования напряжения методом широтно-импульсной модуляции, то изменение уровня напряжения может производиться изменением (снижением) ширины импульса – вручную или автоматически через обратную связь.

Способы ограничения напряжения

На практике применяются различные решения для снижения напряжения. Каждое имеет свою область применения, а также собственные достоинства и недостатки.

Резистором

Самый простой способ снизить напряжение – включить последовательно с нагрузкой резистор. Получится делитель напряжения, одно плечо которого составляет балласт, а второе – нагрузка. Рассчитать сопротивление резистора можно по формуле R=U/I, где:

• R – требуемое сопротивление, Ом;
• U – требуемое падение напряжения;
• I – ток через нагрузку.

Надо учитывать, что дополнительный элемент будет ограничивать ток в цепи, по этой причине, возможно, придется точнее подобрать резистор до получения нужного значения напряжения на нагрузке.

Главный недостаток этого способа в том, что падение напряжения на резисторе зависит от тока, потребляемого нагрузкой. Если ток будет меняться, будет меняться и падение напряжения. Второй момент – на балласте рассеивается (бесполезно тратится) мощность, зависящая как от тока, так и от излишка напряжения (P=U*I). Резистор должен быть рассчитан на соответствующий режим.

Уменьшить влияние тока нагрузки можно с помощью делителя, оба плеча которого образуют резисторы. В этом случае напряжение на резисторах R1 и R2 разделятся пропорционально их сопротивлениям. Через верхний резистор идет ток делителя Iдел и ток нагрузки Iнагр, через нижний – только ток делителя. Если выбрать соотношение резисторов делителя и нагрузки так, чтобы сопротивление нагрузки было минимум на порядок выше сопротивления резистора нижнего плеча, то изменение тока нагрузки будет мало влиять на падение напряжения на параллельной цепи из резистора и нагрузки. Недостаток такой схемы – большой бесполезный расход мощности через резисторы R1 и R2 – он тоже минимум на порядок будет выше мощности, потребляемой нагрузкой.

Оба подхода можно применять как в цепях переменного напряжения, так и постоянного.

Конденсатором

В цепях переменного тока вместо резистора можно использовать конденсатор. Преимущество такого построения схемы – теоретическое отсутствие тепловыделения, при этом нет необходимости решать проблему отвода тепла (на самом деле определённое выделение тепловой энергии имеет место в диэлектрике и зависит от его качества).

Можно включить конденсатор в качестве гасящего сопротивления – на нем упадет часть напряжения. Сопротивление, как функцию частоты и ёмкости, можно рассчитать по формуле Rx=1/(2*π*f*C), а падение напряжения, как U=I/(2*π*f*C), где:

• U – падение напряжения на гасящем элементе, В;
• I – ток в цепи, А;
• f – частота тока в цепи, Гц;
• С – емкость конденсатора, Ф.

Очевидно, что чем меньше ёмкость конденсатора, тем выше его сопротивление.

Требуемое же значение ёмкости рассчитывается по формуле С=I/(U*2*π*f*), где:

• С – потребная ёмкость, Ф;
• I – ток в цепи, А;
• U – требуемое падение напряжения на конденсаторе.

Для практических расчетов, возможно, придётся пересчитать все формулы для дольных (возможно, кратных) единиц – ёмкость в микрофарады, ток — в миллиамперы и т.д.

Из конденсаторов, точно так же, как из резисторов можно составить делитель напряжения (он будет работать в цепях переменного тока). Так как реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, то соотношение напряжений на плечах делителя будет обратно пропорционально ёмкостям конденсаторов.

Диодом

Если рассмотреть вольт-амперную характеристику полупроводникового диода, включенного в прямом направлении, можно обнаружить на ней участок, на котором падение напряжения на p-n переходе слабо зависит от протекающего тока. Это падение составляет:

• для кремниевых диодов – 0,5..0,7 вольт;
• для германиевых диодов – 0,15..0,25 вольт;
• для диодов Шоттки – 0,2..0,4 вольта;
• для светодиодов – до 3 вольт в зависимости от типа.

Это свойство можно использовать в цепях постоянного тока для создания плеча делителя напряжения (вторым плечом будет являться нагрузка). Падение напряжения на каждом диоде практически не зависит от входного напряжения и от тока нагрузки. Составляя диоды в последовательную цепочку, можно кратно увеличить падение напряжения на плече делителя. Так, последовательно включенные 5 кремниевых диодов «съедят» 5х0,6=3 вольта. Например, если источник питания выдает 5 вольт постоянного напряжения, то при включении одного диода напряжение на нагрузке уменьшится до 4,4 вольта, а при включении 5 элементов – до 2 вольт.

Стабилизатором

Улучшить параметры делителя и устранить зависимость напряжения от потребляемого тока можно с помощью схемы стабилизации. В простейшем случае это параметрический стабилизатор на полупроводниковом стабилитроне. Напряжение на нем при обратном включении слабо зависит от тока и от входного напряжения. Если параллельно стабилитрону подключить нагрузку, то и напряжение на ней будет относительно стабильным. Подобрав стабилитрон или последовательную цепочку стабилитронов, можно установить требуемый уровень для потребителя.

Еще лучше работают линейные стабилизаторы напряжения. У них нижнее плечо делителя образует нагрузка, и верхнее – регулирующий элемент (транзистор). При изменении входного напряжения или тока нагрузки транзистор будет приоткрываться или призакрываться, поддерживая напряжение на потребителе стабильным.

По своему принципу действия линейный стабилизатор всегда работает на понижение напряжения источника.

Проще всего собрать линейный стабилизатор на интегральной микросхеме (например, серии LM78xx или КР142). Схема получится простой и дешевой, но набор выходных напряжений фиксирован. Чтобы получить уровень, выходящий за пределы стандартного ряда, надо принимать различные схемотехнические меры.

Трансформатором

Самый экономичный с точки зрения потерь на снижение напряжения в цепях переменного (импульсного) напряжения – применение понижающего трансформатора. Потери в нем составляют всего несколько процентов. Выходное напряжение холостого хода рассчитывается по соотношению витков Uвх/ Uвых=N1/N2, где:

• Uвх – входное напряжение, В;
• Uвых – выходное напряжение, В;
• N1 – число витков первичной обмотки;
• N2 – число витков вторичной обмотки.

Если N2 будет меньше, чем N1, то трансформатор будет понижающим. Например, если надо понизить уровень с 220 В до 110 В, соотношение число витков N2 должно быть в два раза меньше числа витков N1.

Напряжение после трансформатора без принятия дополнительных мер тоже не будет стабильным – все колебания уровня в сети проецируются на нагрузку (пропорционально с учетом коэффициента понижения)

DC-DC преобразователем

Постоянное напряжение трансформатор преобразовать не может. Для того, чтобы понизить постоянное напряжение, придется собрать схему по принципу:

1. Преобразование постоянного напряжения в переменное (импульсное).
2. Трансформация импульсного напряжения либо регулирование запаса энергии в дросселе так, чтобы выходное напряжение поддерживалось на нужном уровне.
3. Выпрямление и сглаживание импульсного напряжения.

Схема получается сложной, но с относительно высоким КПД и стабильным выходным уровнем. Сложность компенсируется широким использованием специализированных микросхем. Для маломощных потребителей получаются очень дешевые устройства.

Пример уменьшения напряжение на блоке питания

В качестве примера можно разобрать упомянутый выше, но не рассмотренный метод организации снижения выходного напряжения в импульсном блоке питания с обратной связью. Основой схемы стабилизации служит цепочка из стабилитрона VD4 и резистора R3. Они образуют делитель, к которому прикладывается выходное напряжение блока питания. На стабилитроне падение напряжения постоянно (в данном случае 3,9 вольт), а остаток от 10 вольт (+5 и -5) падает на резисторе R3. При увеличении напряжения на нем светодиод оптопары U1 начинает светиться ярче, открывается фототранзистор и уменьшает длительность импульсов генератора на VT1. При снижении выходного напряжения (например, при увеличении тока нагрузки) происходит обратный процесс – светодиод горит менее интенсивно, фототранзистор закрывается, длительность импульса увеличивается, напряжение возвращается к прежнему уровню. Если уменьшить напряжение стабилитрона, то при равном выходном напряжении падение на резисторе увеличится, и обратная связь сработает на уменьшение напряжения. Подбирая стабилитрон, можно установить нужный уровень на выходе БП.

Изменить уровень напряжения в меньшую сторону проще, чем в большую. Надо лишь выбрать способ, найдя баланс между сложностью технического решения и потерями мощности – как правило, они находятся в противоположности друг к другу.