Преобразователи напряжения на коммутируемых и модулируемых конденсаторах

June 14, 2010 by admin Комментировать »

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 [2.1] в а. с. 756568 (СССР) была предложена схема бес­трансформаторного 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 кЛц (рис. 2.2). При входном напряжении 160 Б и токе потребления 170 мА на выходе преобразователя получено напряжение 24 Б при токе нагрузки 1 А. КПД преобразователя составил 90%. Все устройство имело размеры 80x50x20 мм и удельную энергоемкость 300 Вт/дм^.

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 [2.2]. Очевидно, что КПД такого преобразователя тем выше, чем выше напряжение питания устройства, поскольку в области малых

clip_image002

Рис. 2.1.

Схема базового элемента преобразователя

clip_image004

Рис. 2.2.

Схема преобразователя напряжения 160 Б/24 В

clip_image006

Рис. 2.3. Схема преобразователя напряжения на переключаемых конденсаторах

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 [2.3] 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 5 Б на вы­ходе получается напряжение 12 Б при токе нагрузки ^2 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 [2.4]. Устройство является умножи­телем напряжения на три.

clip_image008

Рис. 2.4. Схема преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах

clip_image010

Рис. 2.5. Схема параллельногпоследовательного умножителя напряжения

Задающий мультивибратор, собранный на транзисторах VT1 и VT2 (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:

clip_image012

где f — в кГц, R2(R3) — в кОм, С1 (С2) — в мкФ.

Для уменьшения выходного сопротивления генератора пред­назначен эмиттерный повторитель на транзисторах VT3 и VT4 (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 VT1 и VT2. 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 [2.5, 2.6], 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)и5…7,5кБ(рис 2.7).

clip_image014

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 — R3n заряжены до напряжения питания (850 В). При подаче на вход формирователя

clip_image016

Рис. 2.7. Схема формирователя коротких импульсов напряжени­ем 5…7,5 кВ

импульса запуска происходит включение предварительно заря­женных от источника питания конденсаторов С1 — С1п в после­довательную цепочку. На выходе формируется короткий импульс вьюокого напряжения.

Теоретически максимальная амплитуда импульса выходно­го напряжения должна быть равна лЕ, 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 квадратный корень из 2n, где n — 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, приведен в [2.7]. 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. Напряжения на

clip_image018

Рис. 2.8. Электрическая схема преобразователя с умножением напряжения на коммутируемых тиристорами конденсаторах

clip_image020

Рис. 2.9. Умножитель напряжения Н. М. Катасонова

них суммируются и на выходе формируется короткий импульс на­пряжения с амплитудой, приближающейся к значению пЕ.

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 НС. В ранних конструкциях преобразователей подобного . рода вместо тиристоров широко использовали искровые разряд­ники или механические прерыватели.

Для умножения напряжения Н. М. Катасонов [2.8] 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 л-раз напряжение.

Для преобразования напряжения высокого уровня в низко­вольтное был разработан понижающий преобразователь [2.9, 2.10] 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.

clip_image022

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 [2.11]. У обычных потенциометров, применяющихся при регулировке на­пряжения на варикапах, перемещение движка по токопроводя-щему слою сопровождается неустойчивостью контакта, а то и обрывом соединения. В этой связи в работе [2.11] 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).

clip_image024

Рис. 2.11. Пример схемы преобразователя напряжения для пита ния варикапов

clip_image026

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 2×12…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-мт-росхем (рис. 2.13) [2.11]. 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 Б. 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.

clip_image028

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 ЮООНН.

В схеме на рис. 2.14 для получения повышенного выходного напряжения применен утроитель выходного напряжения задаю­щего генератора [2.11], 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.

clip_image030

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 Б 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 А. В. Топаловым, достаточно продуктивна и мо­жет иметь дальнейшее развитие.

Отдельный вид преобразователей — преобразователи на конденсаторах с управляемой (модулируемой) емкостью [2.7]. 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.

clip_image032

Рис. 2.15. Схема преобразователя напряжения кольцевого типа

Преобразователи напряжения кольцевого типа на модули­руемых конденсаторах (рис. 2.15) содержат последовательно-замкнутую цепочку из конденсаторов с модулируемой емкостью, разделенных диодными ключами [2.7]. 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.

 

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