Импульсный преобразователь 24В -- 12В для автомобиля

NPI: Если Вы и теперь скажете, что я шучу, мне придётся застрелиться...

Ну что Вы! Я скорее признаю, что Земля покоится на 3-х китах, чем позволю Вам сделать это...
Правда, мне придётся выбирать между Вами и истиной...

В общем, если Вы не шутите, значит, заблуждаетесь...

Во первых, почему Вы "разделили" принцип работы полумоста (верхний Ваш рисунок) и "степ-даун"-а (средний рисунок)?
Для первого Вы просто определили функцию выходного напряжения, как половину входного, а для "степ-даун"-а - выходное напряжение у Вас является функцией нагрузки. Почему такая разница?

Ведь, верхняя по рисунку схема является не полумостом, как Вы её назвали (для полумоста нужен разделительный конденсатор), а тем же "степ-даун"-ом, в котором диод заменен транзистором - так называемый "степ-даун" с синхронным выпрямителем.

То есть, схемы по принципу работы полностью равнозначны, с той лишь разницей, что "нижний" ключ переключается сам (если диод) или по команде от контроллера (если транзистор).

Неувязочка у Вас...

Не вернО и Ваше определение выходного напряжения. По Вашему - оно является функцией сопротивления нагрузки.
А если я изменю длительность открытого состояния транзистора? Так что, при том же значении нагрузки напряжение на выходе не измениться, что ли?
"Фигушки... плотоядная я..."

Цитата из справочника Найвельта "Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры", стр.321:
"Статическая регулировочная характеристика (определяемая по формуле Uн/Uп...) стабилизатора понижающего типа...
Напряжение на нагрузке определяется относительной длительностью управляющих импульсов (при постоянном Uп)..."

Как видим, в формулировке определения выходного напряжения "степ-даун"-а такого праметра, как сопротивление нагрузки, нет вообще...

Оно и понятно. Ведь, при любом сопротивлении нагрузки, выходное напряжение можно менять от нуля до Uп, меняя только длительность открытого состояния транзистора, то есть - ШИМ-ом.

Я даже боюсь высказать такую "крамольную" для Вашего уха мысль, как "при определённой длительности открытого состояния транзистора и изменении сопротивления нагрузки, напряжение на выходе "степ-даун"-а не меняется вообще"...

Постойте NPI, не стреляйтесь! Может быть утешением для Вас будет тот факт, что напряжение не меняется только при относительно небольшом изменении сопротивления нагрузки - в пределах, скажем, одного-двух порядков (в 10-100 раз)...

DWD:
Признаю свою ошибку насчёт "полумоста", Вы совершенно правы! Да, у меня нарисован степ-даун с ключём вместо диода.
Но на это я пойтить не могу (с), в смысле согласиться: при определённой длительности открытого состояния транзистора и изменении сопротивления нагрузки, напряжение на выходе "степ-даун"-а не меняется вообще"... Ну промоделируйте, чтоли... Вы когда-нибудь видели степ-даун без ООС, просто с генератором на какую-то определённую длительность для получения нужного вых. напр?
DWD: А если я изменю длительность открытого состояния транзистора? Так что, при том же значении нагрузки напряжение на выходе не измениться, что ли?
Конечно, изменится! Точно так же изменится и при пост. длительности (с этого начинали, с меандра ) и изменении сопр. нагрузки! Вых. напр. - функция двух переменных, длительности и Rн!

NPI: Вых. напр. - функция двух переменных, длительности и Rн!

О! Начинаем приходить к консенсусу...
Наконец-то, у Вас появилась такая переменная, как "длительность".

Давайте возьмём теоретический вариант ШИМ-а: ключ коммутирует с какой-то частотой и длительностью открытого состояния нагрузку.
Источник и ключ - идеальные.
Длительность импульса равна длительности паузы - коэффициент заполнения равен 0,5 или скважность равна 2 (меандр).

На нагрузке будет импульсное напряжение с амплитудой, равной напряжению источника питания, правильно?

Что будет, если мы будем менять только сопротивление нагрузки?
Неужели амплитуда импульсов на нагрузке будут меняться? Отнюдь!
Она по прежнему будет равна напряжению источника.

Меняться будет только ток нагрузки.

Для определния проделанной работы, амплитуда - параметр не подходящий. По этому, переведём амплитуду в действующее значение напряжения. Как известно, для прямоугольного напряжения действующее значение равно произведению амплитуды на коэффициент заполнения.
Источник у нас - 24В, значит, и амплитуда, то же, 24В. Коэффициент заполнения - 0,5. Значит, действующее напряжение на нагрузке будет 24В*0,5=12В.

При изменении нагрузки действующее значение останется на месте - будет то же 12В. Меняться будет только ток нагрузки и, соответственно, мощность на ней. Естественно, ведь амплитуда не изменна, и длительность импульса прежняя...

А менять напряжение на нагрузке можно только изменением длительности открытого состояния ключа - ШИМ.
Это принцип ключевого регулятора

Если запитать лампочку или нагреватель, то схема уже получается полная - только ключ и нагрузка.

На такой нагрузке будет импульсное напряжение, по этому, если нужно только постоянное, да ещё и с малым уровнем пульсаций, то между ключём и нагрузкой нужно поставить дроссель.
Он, являясь накопителем энергии, будет превращать импульсное напряжение в постоянное.
Если дроссель идеальный, то единственно, что измениться, так это форма напряжения на нагрузке. Оно станет постоянным, хотя после ключа оно, по прежнему, будет импульсным.
Правда, нужно добавить ещё и диод, для "разрядки" дросселя после закрытия транзистора.

С учётом равенства нулю среднего напряжения на дросселе, получится, что во время накопления им энергии при открытом транзисторе, напряжение на нём будет Uп-Uн, а во время расходования (разряда) - Uн. Из этого получаем коэффициент преобразования напряжения питания в напряжение нагрузки: Uн/Uп. Причём, получается прямая линия с крайними координатами 0 и Uп.
Подробнее можете прочитать, например, в книге Моина "Стабилизированные транзисторные преобразователи" (стр. 14).

Так как идеальных компонентов нет, а ключ, дроссель и возвратный диод имеют какое-то сопротивление, то регулировочная характеристика стабилизатора отличается от прямой линии и имеет наклон в средней части.
Этот наклон зависит от отношения активных сопротивлений дросселя и нагрузки: rL/Rн.
По этому, реальная регулировочная характеристика понижающего стабилизатора равна: Uн/Uп=k(1-rL/Rн), где k - коэффициент заполнения.
Нас интересует выходное напряжение, по этому изменим формулу:
Uн=Uп*k(1-rL/Rн),

Так как активное сопротивление имеет не только дроссель, но и транзистор с диодом, а включены они последовательно с дросселем, то параметер rL можно считать сопротивлением потерь стабилизатора.

Теперь видим, что чем больше сопротивление потерь, тем меньше напряжение на нагрузке при неизменных напряженни питания, длительности открытого состояния транзистора и сопротивлении нагрузки.
Соответственно, выходное напряжение будет меняться при изменении сопротивления нагрузки и неизменных остальных параметрах. По этому-то и требуется стабилизация выходного напряжения такого стабилизатора.
Однако, при использовании транзистора, диода и дросселя с малыми сопротивлениями, напряжение на нагрузке будет, практически, постоянным при неизменных напряжении питания и коэффициенте заполнения.
И это легко достигается. Нужно, всего лишь, рассчитывать нерегулируемый понижающий импульсный стабили... преобразователь так, что бы минимальное сопротивление нагрузки было, хотя бы, раз в 10 больше сопротивления потерь.

В этом случае напряжение на нагрузке не будет меняться при изменении её сопротивления.

Есть ещё один "подводный камень" - отсутствие нагрузки или её очень большое сопротивление.
В этом случае преобразователь переходит в режим с так называемым разрывным током дросселя, когда накопленная дросселем энергия не расходуется. Нарушается симметрия между накоплением и расходом. А с учётом наличия на выходе стабилизатора конденсатора, накопленная энергия будет всё больше его заряжать, и напряжение на выходе будет расти, вплоть до достижения напряжения питания при отсутствии нагрузки.

Получается, что подобные преобразователи без стабилизации могут работать в относительно небольшом диапазоне сопротивлений нагрузки.
Снизу оно ограничено сопротивлением транзистора, диода и дросселя, а сверху - режимом неразрывного тока дросселя или его индуктивностью.
По этому, для получения более-менее постоянного напряжения на выходе нерегулируемого преобразователя нужно выбирать транзистор, диод и дроссель с минимальными активными сопротивлениями и брать большую индуктивность дросселя.

Если с транзистором и диодом дело проще (мощный полевик, диод Шоттки или такой же полевик для синхронного ключа), то с дросселем - ситуация противоречивая. Так как увеличение индуктивности увеличивает сопротивоение обмотки.

Вот и всё.

Так что, выбрав хорошие ключи и правильно рассчитав дроссель, получим нерегулируемый преобразователь напряжения 24В/12В, в котором выходное напряжение более-менее постоянно и не зависит от нагрузки.
Если напряжение на аккумуляторе 12В меняется в пределах 12,9В...14,5В, и это принято за напряжение "12В", то на аккумуляторе "24В" напряжение будет меняться в пределах 12,9В...14,5В*2=25,8В...29В, а разделив его с помощью преобразователя на 2, получим имитацию режима питания от аккумулятора на "12В".

Рассчитать элементы, что бы пределы изменения напряжения при изменении нагрузки не превышали указанные, уже обычная инженерная задача.
При указанном мною ранее значении индуктивности дросселя 0,6мГн получается диапазон рабочих токов, примерно, 0,1А...15А.
При этом выбираются обычные хорошие ключи, а намотка дросселя не представляет сложности.

NPI, я не понял, Вы признаете свою ошибку или решили "не связываться с дураком"?..

DWD: NPI, я не понял....
Обдумываю ответ

Вчера дошли руки и я все же собрал преобразователь, предложенный DWD (который делитель напряжения на два с автотрансформатором на выходе). Заработал, правда, не сразу. Довелось пошаманить с фазировкой обмоток. Что характерно, работает и на одном транзисторе но хуже. Пока проверил только на входном напряжении 18В и мощности порядка 40Вт. Частота преобразования около 33кГц, ток холостого хода около 150мА, КПД порядка 80%.
На выходе применил сборку диодов Шотки. При ХХ тоже работает корректно. На КЗ не проверял, спать надо было уже.
Как можно повысить КПД? (Наблюдаются сквозные токи, что видно по провалам напряжения в момент коммутации). Греются больше всего транзисторы.
Думаю пока поиграться с током ХХ.
Обмотки сделал не 4х5, а 4+6+6+4, на всякий случай, чтобы скомпенсировать падения напряжения в цепи.

Арс: ...собрал преобразователь...

Конкретно, на каких деталях?
Моточные данные рассчитывали по справочнику, который я выкладывал на файлообменнике или просто взяли то, что я "от фонаря" написал?

Кстати, параллельно транзисторам Вы поставили диоды?

Арс: Что характерно, работает и на одном транзисторе но хуже.

Естественно. Ведь, это же два однотактных мультивибратора, включенных параллельно... При обрыве или отключении одного из транзисторов преобразователь продолжает работать, только мощность падает в 2 раза.

Арс: Частота преобразования около 33кГц...

Маловато будет... Указанные мною моточные данные взяты из расчёта 50КГц.

Арс: ...ток холостого хода около 150мА, КПД порядка 80%.

Ток большой. Это при 18В, а что будет при 30?..
Для этого преобразователя ток нужно выставить только минимальный, определяющий запуск при определённых условиях (температура, детали и т.д.) При комнатной температуре ему достаточно тока покоя в единицы мА. Это при полном напряжении питания.
С учётом установленных транзисторов, посмотрите по справочнику, на сколько меньше у них коэффициент усиления при минимально возможной температуре, и именно его учитыивайте в расчётах.
Суть - тока должно хватить для самовозбуждения преобразователя при минимальных напряжении питания и температуре воздуха.

Арс: Наблюдаются сквозные токи...

Какой конденсатор у Вас установлен в базовой цепи?
Именно он "запрещает" сквозной ток. Чем он больше, тем меньше вероятность "сквозняка". Однако, слишком большая ёмкость ухудшает условия самовозбуждения и выхода на режим преобразователя. Нужен компрмисс.
Обычно хватает ёмкости в пределах 0,5-1мкФ. По этому, поставив 1мкФ (не электролит), обеспечиваем запас. Однако, это при условии правильного расчёта обмоток трансформатора обратной связи.
Всё таки, расчитайте трансы по примеру, описанному в книге (о ней уже говорили).

При малом числе витков базовых обмоток может не хватать тока для насыщения транзисторов и они работают в активном режиме. КПД меньше. При сильном насыщении падает частота, что, опять же, отражается на трансах, расчитанных на более высокое значение частоты.

Арс: Обмотки сделал не 4х5, а 4+6+6+4...

Правильно. Только мотать их нужно было в два провода. То есть, одновременно обе половины полуобмоток.

Незнаю как эта схема.. не пробовал, но кум меня попросил собрать в "Икарус" подобный преобразователь.. мощность где то 200..250Вт
Прикинул так..Требовния примерно такие:
- стабилизация напряжения без нагрузки
- защита по вых. от КЗ и еще разных пакостей
- гальваническая развязка
-ток нагрузки 15..20А
Щас схемку рисую.. склоняюсь к TL494 + 2 шт. IRFZ46.. т.е двухтактник..
Только вот пока незнаю что с помехами делать.. а они там точно будут..

Ну вот набросал примерно схемку.
Прошу спецов поправить

Маломощные биполярные в таком включении не только не нужны, а даже вредны, так как питаются током затвора полевого транзистора! Лучше ипользовать двухтактный каскад, как в УНЧ, или, ещё лучше, спец. драйверы на двух комплементарных МОП-транзисторах. Соответственно, не нужны 10 омные резисторы.