Бестрансформаторные конденсаторные преобразователи напряжения

June 14, 2010 by admin Комментировать »

в настоящей главе в первую очередь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения, как прави­ло, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умно­жителя напряжения. Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а так­же получить на выходе преобразователя напряжение другого зна­ка. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик — обычно единицы, реже десятки мА.

Задающий генератор бестрансформаторных преобразовате­лей напряжения может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1.1) выполнен на основе симметрично­го мультивибратора. В качестве примера элементы блока мо­гут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм; С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы — маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типо­вой блок усилителя 2.

clip_image002

Рис. 1.1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных пре­образователей: 1 — задающий генератор; 2 — типовой блок усилителя

Бестрансформаторный преобразователь напряжения состо­ит из двух типовых элементов (рис. 1.2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряже­ния [1.1] (рис. 1.1, 1.2). Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное

напряжение 22 В при токе нагрузки до 100 мА (параметры эле­ментов: R1=R4=390 Ом, R2=R3=5,6 кОм, С1=С2=0,47 мкФ). В бло­ке 1 использованы транзисторы КТ603А — Б; в блоке 2 — ГТ402В{Г) и ГТ404В{Г).

clip_image004

Рис. 1.2.

Схема бестрансформаторного преобразователя с уд­воением напряжения

clip_image006

Рис. 1.3.

Схемы преобразователей напряжения на основе типо­вого блока

Преобразователь напряжения [1.2], построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1.1), можно применить для получения выходных напряжений разной полярности так, как это показано на рис. 1.3.

Для первого варианта на выходе формируются напряжения -1-10 Б и -10 Б; для второго — -1-20 Б и -10 Б при питании устройст­ва от источника напряжением 12 Б.

Для питания тиратронов напряжением примерно 90 Б при­менена схема преобразователя напряжения по рис. 1.4 с задаю­щим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=1 кОм,

R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ [1.3]. Здесь могут быть использо­ваны широко распространенные маломощные транзисторы. Умно­житель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200 В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.

clip_image008

Рис. 1.4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем

clip_image010

Рис. 1.5. Схема инвертора напряжения

Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типо­вого узла (рис. 1.1). На выходе устройства (рис. 1.5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания [1.4]. По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (по­терями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.

Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 1.6) содер­жит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 —VD4) [1.5].

Блок 1: R1=R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; С1=С2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразо­вания, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емко­сти конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.

Данный преобразователь обеспечивает выходное напряже­ние 12 Б (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 Б; при 50 Ом — до 10 Б; а при 10 Ом —до 7 Б.

clip_image012

Рис. 1.6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности

clip_image014

Рис. 1.7.

Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений

Преобразователь напряжения (рис. 1.7) позволяет получить на выходе два разнополярных напр’яжения с общей средней точкой [1.6]. Такие напряжения часто используют для питания операцион­ных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его ве­личины изменяются одновременно.

Транзистор VT1 — КТ315, диоды VD1 и У02—Д226.

Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Выходное сопротивление удвоителя — 10 Ом. В режиме хо­лостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличе­нии тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 Б.

Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 1.8) выполнен на двух /ШО/7-элементах [1.7]. К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное на­пряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов — при низко­вольтном питании) меньше входного.

clip_image016

Рис. 1.8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с за­дающим генератором на КМОП-элементах

Похожая схема преобразователя изображена на следую­щем рисунке (рис. 1.9). Преобразователь содержит задающий ге­нератор на /СМО/7-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов [1.8]. На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: -i-15 Б при токе нагрузки 13…15 мЛ и -15 Б при токе нагрузки 5 мА.

На рис. 1.10 показана схема выходного узла бестрансформа­торного преобразователя напряжения [1.9]. Этот узел фактически

clip_image018

Рис. 1.9.

Схема преобразователя напряжения для формирова­ния разнополярных напряжений с задающим генерато­ром на КМОП-элементах

clip_image020

Рис. 1.10. Схема выходного каскада бестрансформаторного пре­образователя напряжения

является усилителем мощности. Для управления им можно исполь­зовать генератор импульсов, работающий на частоте ^0 кГц.

Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощно­сти потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближа­ется к 18 Б (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 Б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротив­ление — около 10 Ом.

При работе узла от задающего генератора на КМОП-эпе-ментах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ог­раничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор со­противлением в несколько кОм.

Простая схема преобразователя напряжения для управле­ния варикапами многократно воспроизведена в различных жур­налах [1.10]. Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 Б, и такая схема показана на рис. 1.11. На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Дио­ды VD1 — VD4 и конденсаторы С2 — С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 — парамет­рический стабилизатор напряжения.

clip_image022

Рис. 1.11. Схема преобразователя напряжения для варикапов

clip_image024

Рис. 1.12. Схема преобразователя напряжения на КМОП-микросхеме

Простой преобразователь напряжения [1.11] на одной лишь К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис. 1.12.

Основные параметры преобразователя при разных напря­жениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 1.12)

Uпит Iвых, мА Uвых, В
10 5 17
10 10 16
10 15 14,5
15 5 27,5
15 10 26,5
15 15 25,5

clip_image026

Рис. 1.13.

Схема выходного каскада формирователя двухполяр-ного напряжения

Для преобразования напряжения одного уровня в двухпо-лярное выходное напряжение может быть использован преобра­зователь с выходным каскадом по схеме на рис. 1.13 [1.12]. При входном напряжении преобразователя 5 Б на выходе полу­чаются напряжения -i-8 Б и -8 Б при токе нагрузки 30 мА. КПД преобразователя составил 75%. Значение КПД и величину вы­ходного напряжения можно увеличить за счет использования в выпрямителе-умножителе напряжения диодов Шотки. При уве­личении напряжения питания до 9 Б выходные напряжения воз­растают до 15 Б.

Приблизительный аналог транзистора 2N5447 — КТ345Б; 2N5449 — КТ340Б. В схеме можно использовать и более рас­пространенные элементы, например, транзисторы типа КТ315, КТ361.

Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть ис­пользованы самые разнообразные генераторы сигналов прямо­угольной формы. Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 1.14) [1.13]. Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без кас­кадов дополнительного усиления. Генератор на микросхеме DA1 {КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель на­пряжения. К выходу умножителя напряжения подключен рези-стивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1. Параметры этого де­лителя подобраны таким образом, что, если выходное напряже­ние по абсолютной величине превьюит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений рези­сторов R3 и R4.

clip_image028

Рис. 1.14.

Схема преобразователя-инвертора напряжения с за­дающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1

Характеристики преобразователя — инвертора напряжения (рис. 1^14) приведены в табл. 1.2.

На следующем рисунке показана еще одна схема преобра­зователя напряжения [1.14] на мтросхеме КР1006ВИ1 (рис. 1.15). Рабочая частота задающего генератора 8 кГц. На его выходе включен транзисторный усилитель и выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. При напряжении источника питания 12 Б на выходе преобразователя получается 20 Б. Потери преоб­разователя обусловлены падением напряжения на диодах выпря­мителя-удвоителя напряжения.

Таблица 1.2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 1.14)

Uпит, В Iвых, мА Iпотреб, мА КПД, %
6 3,5 13 27
7 6 22 28
8 11 31 35
10 18 50 36
12 28 70 40

clip_image030

Рис. 1.15.

Схема преобразователя напряжения с микросхемой КР1006ВИ1 и усилителем мощности

На основе этой же микросхемы (рис. 1.16) может быть соз­дан инвертор напряжения [1.15]. Рабочая частота преобразова­ния — 18 кГц, скважность импульсов — 1,2.

Как и для других подобных устройств, выходное напряже-ние преобразователя существенно зависит от тока нагрузки.

ТТЛ и /СМОГ/-микросхемы могут быть использованы для выпрямления тока. Развивая тему, автор этой идеи Д. Катберт предложил бестрансформаторный преобразователь напряжения-инвертор [1.16] на основе ГГ//-микросхем (рис. 1.17).

Устройство содержит две микросхемы: DDI и DD2. Первая из них работает в качестве генератора прямоугольных импульсов с частотой 7 кГц (элементы DDI .1 и DDI .2), к выходу которого под­ключен инвертор DD1.3 — DDI.6. Вторая микросхема (DD2) вклю­чена необычным образом (см. схему): она выполняет функцию

clip_image032

Рис. 1.16.

Схема формирователя напряжения отрицательной полярности

clip_image034

Рис. 1.17. Схема инвертора напряжения на основе двух микросхем

диодов. Все ее элементы-инверторы для увеличения нагрузочной способности преобразователя включены параллельно.

В результате такого включения на выходе устройства полу­чается инвертированное напряжение-U, примерно равное (по аб­солютной величине) напряжению питания. Напряжение питания устройства с 74НС04 может быть от 2 до 7 В. Примерный отечественный аналог — ГГ//-микросхема типа К555ЛН1 (работает в более узком диапазоне питающих напряже­ний) или /СМОC/-микросхем а КР1564ЛН1.

Максимальный выходной ток преобразователя достигает 10 мА. При отключенной нагрузке устройство практически не по­требляет ток.

В развитие рассмотрен>ной выше идеи использования защит­ных диодов /C/WO/7-микросхем, имеющихся на входах и выходах /СЛ//0/7-элементов, рассмотрим работу преобразователя напряже­ния [1.17], выполненного на двух микросхемах DDI и DD2 типа К561ЛА7 {р\лс. 1.18). На первой из них собран генератор, работаю­щий на частоте 60 кГц. Вторая микросхема выполняет функцию мостового вьюокочастотного выпрямителя.

clip_image036

Рис. 1.18. Схема точного преобразователя полярности на двух микросхемах К561ЛА7

В процессе работы преобразователя на выходе формирует­ся напряжение отрицательной полярности, с большой точностью при вьюокоомной нагрузке повторяющее напряжение питания во всем диапазоне паспортных значений питающих напряжений (от 3 до 15 8).

Источник: М. А. Шустов, Практическая схемотехника, Преобразователи напряжения, Книга 3, «Альтекс-А» Москва 2002

2 комментариев(ия)

  1. Санек says:

    С какого источника взята информация?

  2. admin says:

    Источник указал в конце статьи.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты