Преобразователи напряжения на коммутируемых и модулируемых конденсаторах (13 схем)
Принцип работы преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах основан на периодическом одновременном заряде группы конденсаторов, включенных параллельно или последовательно. В следующий рабочий цикл эти конденсаторы переключают, соответственно, в последовательную цепочку, либо параллельно. В первом случае преобразователь является повышающим; во втором — понижающим. Коэффициент «трансформации» напряжения преобразователя равен числу переключаемых конденсаторов. Как и при использовании настоящего трансформатора с увеличением (понижением) выходного напряжения кратно и пропорционально с учетом потерь понижается (возрастает) выходной ток.
Для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня Л. Г. Зотовым и А. А. Шориным в а. с. 756568 (СССР) была предложена схема бес-трансформаторного преобразователя (рис. 2.1 и 2.2).
Схема базового ключевого элемента преобразователя показана на рис. 2.1, общая схема устройства — на рис. 2.2. Управление типовыми ключевыми элементами 1 осуществляется генераторами прямоугольных импульсов, работающими на частотах 30 и 80 кГц (рис. 2.2). При входном напряжении 160 б и токе потребления 170 мА на выходе преобразователя получено напряжение 24 В при токе нагрузки 1 А. КПД преобразователя составил 90%. Все устройство имело размеры 80x50x20 мм и удельную энергоемкость 300 Вт/дм3.
В преобразователе (рис. 2.3) для повышения КПД преобразования использована идея начального заряда последовательно соединенных конденсаторов от источника питающего напряжения с последующим их переключением в параллельную цепь.
Рис. 2.1. Схема базового элемента преобразователя.
Рис. 2.2. Схема преобразователя напряжения 160В/24 В.
Рис. 2.3. Схема преобразователя напряжения на переключаемых конденсаторах.
Очевидно, что КПД такого преобразователя тем выше, чем выше напряжение питания устройства, поскольку в области малых питающих напряжений будут заметно сказываться потери на коммутирующих элементах.
При питании устройства от аккумулятора напряжением 12,6 В на выходе получено стабилизированное напряжение 5 В при КПД 80% (ток нагрузки 1 А). Для переключения конденсаторов использован генератор управляющих импульсов, работающий на частоте 6,5 кГц.
Следует отметить, что схема, изображенная на рис. 2.3, в значительной мере является демонстрационной, предназначенной для ознакомления со способами преобразования напряжения, хотя при моделировании средствами Electronics Workbench 5.12 и показала результаты, близкие к заявленным. В первоисточнике [2.2] резисторы R2 — R6 (рис. 2.3) отсутствуют (R2=R3=R4=R5=0; R6=бесконечность).
В качестве микросхемы DA1 возможно использование отечественного аналога — К142ЕН5А(В).
Для повышения КПД устройства должны быть получены крутые фронты коммутирующих импульсов и приняты меры по снижению падения напряжения на транзисторных ключах.
Принцип действия следующего преобразователя также основан на начальном заряде нескольких конденсаторов, подключенных параллельно источнику питания. Затем эти конденсаторы переключаются в последовательную цепочку. Напряжения на них суммируются. В эту сумму входит и напряжение источника питания. Таким образом, при использовании двух конденсаторов на выходе может быть получено утроенное напряжение питания. На практике это значение несколько ниже, поскольку часть напряжения теряется на коммутирующих элементах, диодах.
Так, в схеме на рис. 2.4 при напряжении питания 5В на выходе получается напряжение 12 В при токе нагрузки 12 мА.
Аналог транзистора 2N3904 — КТ375А(Б).
Параллельно-последовательный умножитель напряжения (рис. 2.5) работает по принципу одновременного заряда нескольких конденсаторов и последовательного разряда их на суммирующий конденсатор. Устройство является умножителем напряжения на три.
Рис. 2.4. Схема преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах.
Рис. 2.5. Схема параллельно-последовательного умножителя напряжения.
Задающий мультивибратор, собранный на транзисторах ѴТ1 и ѴТ2 (типовой блок 1, рис. 1.1, R1=R4=10 кОм R2=R3=47 кОм; С1=С2=0,01 мкФ транзисторы — КТ201), формирует сигнал прямоугольной формы. Рабочую частоту генератора можно определить по приближенной формуле:
Для уменьшения выходного сопротивления генератора предназначен эмиттерный повторитель на транзисторах ѴТЗ и ѴТ4 (типовой блок 2, рис. 1.1, транзисторы — ГТ321 и П307). Когда на
выходе каскада 2 напряжение равно 30 В, конденсатор С1 (рис. 2.5) заряжается через диод VD1. За это время заряжаются также конденсаторы С2 и СЗ через соответствующие диоды VD2 и VD3. При переключении каскада 2 на его выходе появляется нулевое напряжение. Напряжения на конденсаторах С1 и С2 откроют транзисторы ѴТ1 и ѴТ2. В результате конденсаторы С1 — СЗ будут включены последовательно. Суммарное напряжение через диод VD4 будет приложено к конденсатору С4. Конденсатор С4 зарядится до утроенного напряжения источника питания. Поскольку вторая обкладка этого конденсатора подключена к питающему напряжению, то суммарное выходное напряжение будет превышать 100 В.
На выходе умножителя можно получить любое другое напряжение, увеличив число каскадов. Частота работы мультивибратора 1 выбирается с учетом постоянной времени заряда конденсаторов С2 и СЗ через резисторы R1 и R2.
При помощи устройств, изображенных на рис. 2.6 и 2.7 на выходе формирователей импульсов с различным числом каскадов — элементов цепочки — удается получить короткие импульсы длительностью порядка 20 не напряжением 2...3 кВ (рис 2.6) и 5. ..7,5 кВ (рис 2.7).
Рис. 2.6. Схема формирователя коротких импульсов напряжением 2...3 кВ.
Формирователь выполнен из цепочки однотипных узлов, состоящих из накопительных конденсаторов и тиристорных ключей (тиристоры КУ221Б, КУ224). Отдельные узлы соединены между собой отрезками линий длиной по 4 м, выполненных из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. В начальный момент времени (все тиристоры закрыты) конденсаторы С1 — С1п через резисторы R2 — R2n и R3 — R3п заряжены до напряжения питания (850 В).
Рис. 2.7. Схема формирователя коротких импульсов напряжением 5...7,5 кВ.
При подаче на вход формирователя импульса запуска происходит включение предварительно заряженных от источника питания конденсаторов С1 — С1n в последовательную цепочку. На выходе формируется короткий импульс высокого напряжения.
Теоретически максимальная амплитуда импульса выходного напряжения должна быть равна nЕ, где Е — напряжение питания. Однако в связи с тем, что тиристоры несколько отличаются друг от друга и включаются не одновременно, выходной импульс «размывается», идеального суммирования напряжений не происходит. Реально коэффициент умножения напряжения формирователей импульсов (рис. 2.6 и 2.7) примерно равен квадратному корню из 2n, где л — число каскадов. После разряда конденсаторов тиристоры вновь закрываются, схема готова к запуску последующим управляющим импульсом.
В обобщенной форме вид преобразователей (рис. 2.8), реализующих принцип умножения напряжения на переключаемых конденсаторах. Это устройство содержит ряд одинаковых каскадов на тиристорах или иных элементах с S-образной вольтамперной характеристикой. Межкаскадные связи (С1 — С1п) выполнены конденсаторами равной емкости. Напряжение питания схемы — Е — ниже напряжения пробоя тиристоров.
В исходном состоянии после включения напряжения питания все тиристоры заперты, конденсаторы С1 — С1п заряжены до напряжения питания устройства.
При подаче на вход преобразователя импульса управления происходит цепная реакция переключения тиристоров из непроводящего состояния в проводящее. Все конденсаторы С1 — С1п оказываются соединенными последовательно.
Рис. 2.8. Электрическая схема преобразователя с умножением напряжения на коммутируемых тиристорами конденсаторах.
Рис. 2.9. Умножитель напряжения Н. М. Катасонова.
Напряжения на них суммируются и на выходе формируется короткий импульс напряжения с амплитудой, приближающейся к значению nЕ.
Типовые значения длительности импульсов, генерируемых тиристорными формирователями, зависят от RC-параметров формирователя, вида нагрузки, марки тиристоров и составляют: длительность импульса — 100...200 не, длительность фронта — 5...20 нc. В ранних конструкциях преобразователей подобного рода вместо тиристоров широко использовали искровые разрядники или механические прерыватели.
Для умножения напряжения Н. М. Катасонов предложил схему устройства (рис. 2.9), позволяющего при включении ключевых элементов S1 — S7 по определенному алгоритму заряжать конденсаторы С1 — С4 от источника питания, а затем
соединять в последовательную цепочку. В соответствии с числом примененных в цепочке конденсаторов на выходе устройства формируется умноженное в п-раз напряжение.
Для преобразования напряжения высокого уровня в низковольтное был разработан понижающий преобразователь на переключаемых конденсаторах (рис. 2.10). В отличие от повышающих конденсаторных преобразователей, он работает наоборот: вначале заряжается длинная цепочка последовательно соединенных конденсаторов, затем они включаются параллельно. Таким образом получается подобие трансформатора: малый потребляемый ток в первичной цепи при большом напряжении и малое выходное напряжение при работе на нагрузку и большой ток. Разумеется, такому преобразователю присущи заметные потери, да и само устройство отличается повышенной сложностью, поэтому полная практическая схема устройства не приводится.
Рис. 2.10. Пример понижающего конденсаторного преобразователя напряжения.
Отдельный класс преобразователей с использованием конденсаторов с управляемой емкостью представляют собой устройства, рассмотренные ниже.
Достаточно оригинальный метод преобразования напряжения для питания варикапов предложил А. В. Топалов. У обычных потенциометров, применяющихся при регулировке напряжения на варикапах, перемещение движка по токопроводящему слою сопровождается неустойчивостью контакта, а то и обрывом соединения. В этой связи в работе было предложено для получения питающего варикапы напряжения использовать высокочастотный генератор, нагруженный на повышающий трансформатор, к выходу которого подключен регулируемый емкостной делитель напряжения, выпрямитель и фильтр (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Пример схемы преобразователя напряжения для питания варикапов.
Рис. 2.12. Практическая схема преобразователя с регулируемым емкостным делителем выходного напряжения.
Практическая схема такого преобразователя показана на рис. 2.12. При питании генератора от батареи напряжением 3...6 В на выходе формируется регулируемое нестабилизиро-ванное напряжение 1,4...20 В, предназначенное для питания варикапов.
В качестве конденсатора емкостного делителя использован сдвоенный конденсатор переменной емкости от радиоприемника 2x12...250 пФ. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце типа К7х4х2 с магнитной проницаемостью 1000...2000. Первичная обмотка содержит 49 витков провода ПЭЛШО 0,25, вторичная — 200 витков ПЭВ 0,1, При изменении напряжения питания частота генерации колеблется в пределах от 25 до 40 кГц.
Генерацию высокочастотного сигнала для регулируемого емкостного делителя можно осуществлять и в более простых схемах с бестрансформаторным выходом на основе КМОП-микросхем (рис. 2.13). Выходное напряжение преобразователя, разумеется, не может превысить или даже сравниться с напряжением питания, однако на этом принципе могут быть созданы регулируемые источники напряжения положительной и/или отрицательной полярности, гальванически разделенные от основного источника питания конденсаторами небольшой емкости.
Выходное напряжение преобразователя (рис. 2.13) при напряжении питания 9 В регулируется в пределах 1...7 В. Отметим, что при смене полярности подключения диодов выпрямителя на выходе преобразователя может быть получено напряжение отрицательной полярности, а при использовании умножителя напряжения — напряжение, превышающее напряжение питания.
Рис. 2.13. Вариант схемы преобразователя напряжения с регулируемым емкостным делителем выходного напряжения.
Для снижения уровня высокочастотных помех на выходе преобразователя включен П-образный LC-фильтр, в котором дроссель L1 содержит 50 витков провода ПЭЛШО 0,1, намотанного на кольце типа К7х4х2 1000НН.
В схеме на рис. 2.14 для получения повышенного выходного напряжения применен утроитель выходного напряжения задающего генератора, выполненный по достаточно традиционной схеме, принцип действия которой изложен выше, в главе 1. Отличительной же особенностью этого устройства (рис. 2.14) является то, что выходное напряжение преобразователя плавно регулируют при помощи резистивного делителя напряжения (транзисторы VT1 и VT2), в свою очередь, управляемого выпрямленным высокочастотным сигналом, амплитуда которого регулируется блоком конденсаторов переменной емкости С2 и СЗ. включенных параллельно.
Рис. 2.14. Схема регулируемого преобразователя напряжения с утроителем выходного напряжения.
Таким образом, управляющее напряжение для регулировки выходного напряжения преобразователя снимается с регулируемого емкостного делителя напряжения (конденсаторы С4 и С2, СЗ) и диодного выпрямителя (диоды VD5 и VD6). В итоге на выходе устройства получается плавно регулируемое в пределах от 1 до 18 В напряжение.
Попутно отметим, что для решения основной задачи — изменения емкости без использования резистивного делителя напряжения в цепи питания варикапа — достаточно было бы использовать просто блок конденсаторов переменной емкости, сузив при необходимости диапазон перекрытия за счет параллельного и/или последовательного подключения емкостей. Однако в плане создания преобразователей напряжения нового типа идея, описанная .4. В. Топаловым, достаточно продуктивна и может иметь дальнейшее развитие.
Отдельный вид преобразователей — преобразователи на конденсаторах с управляемой (модулируемой) емкостью. Иногда такие преобразователи называют мультипликаторами (умножителями) напряжения. Принцип их действия основан на том, что при неизменной величине заряда на обкладках конденсатора уменьшение их емкости сопровождается пропорциональным возрастанием напряжения на обкладках, и наоборот.
Рис. 2.15. Схема преобразователя напряжения кольцевого типа.
Преобразователи напряжения кольцевого типа на модулируемых конденсаторах (рис. 2.15) содержат последовательнозамкнутую цепочку из конденсаторов с модулируемой емкостью, разделенных диодными ключами. Запуск преобразователя осуществляется кратковременной подачей напряжения на один из конденсаторов.
При изменении емкости конденсаторов, роторы которых заземлены и вращаются синхронно со сдвигом по фазе, происходит «перекачка» энергии по последовательной замкнутой в кольцо диодно-емкостной цепочке с нарастанием выходного напряжения. Параллельно одному из конденсаторов включен электрический разрядник. Когда напряжение на этом конденсаторе превысит напряжение пробоя разрядника, происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки, и на конденсатор подают новую порцию энергии от источника питания.
Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.