Смотрите, нет индуктивности: конденсаторные импульсные источники питания

June 10, 2010 by admin Комментировать »

Долгое время считалась само собой разумеющимся иметь катушки ин­дуктивности и трансформаторы в источниках питания. Эти компоненты на магнитных сердечниках играют существенную роль накопителя энер­гии, благодаря чему можно преобразовывать энергию, фильтровать, ог­раничивать ток и это только несколько функций, выполняемых ими. В то же самое время, при практической реализации компонент на магнит­ных сердечниках часто приходится сталкиваться с такими негативными явлениями как насыщение, потери в сердечнике и проводах, нелиней­ность, большой вес, габариты и стоимость, ненадежность. Отклонение от идеальных характеристик может повредить как источнику, так и на­грузке. Кроме того, появляются проблемы с электромагнитными поме­хами, нежелательными резонансами, пробоем изоляции и т.д. Посколь­ку конденсаторы также являются накопителями энергии, то естественно подумать о возможность заменить ими катушки индуктивности.

Такая замена действительно возможна. Оказалось, что хотя прямая подстановка не возможна, можно придумать специальные схемы, чтобы использовать способность конденсаторов накапливать энергию. Если ре­ализовать эту замену, то можно рассчитывать на сохранение большин­ства параметров, присущих схемам, которые используют катушки индук­тивности и трансформаторы. Например, такие безиндуктивные схемы позволяют изменять полярность напряжения, повышать и понижать его, осуществлять гальваническую развязку, умножение напряжения и ста­билизацию. Все эти операции выполняются с помощью методов комму­тации, когда накопленный заряд передается от одного конденсатора к другому. Процесс можно определить как управляемое использование схем перекачки заряда.

Хотя существует много способов переноса заряда между конденсато­рами, закон природы препятствует полному использованию начального уровня энергии! Это можно продемонстрировать на одном примере. Об­ратимся к рис. 20.10. Предположим, что конденсатор емкостью 10 мкФ заряжен до напряжения 20 В. Энергия, запасенная в нем, равна 1/2 CF или 1/2(10×10-6) (20)2 =

Теперь, предположим, что этот заряженный конденсатор подключа­ется параллельно к разряженному конденсатору также емкостью 10 мкФ. В новой ситуации получаем конденсатор емкостью 20 мкФ, за­ряженный до напряжения 10 В. Здравый смысл позволяет предположить, что полная энергия в системе осталась неизменной или почти неизмен­ной, если используются высококачественные конденсаторы – просто из­менился способ хранения первоначальной энергии. Однако при подста­новке новых чисел в наше соотношение, находим что 1/2 CF= 1/2 (20 X 10-6) (10)2 =

clip_image002

clip_image004

clip_image006

clip_image008

Рис. 20.10. Демонстрация потерь энергии при переключении конденсаторов. Несмотря на высокое качество конденсаторов, 50 % энергии, первоначально накопленной в G, будет потеряно, когда энергия перераспределяется при параллельном включении G и С2. Этот тип потерь можно значительно сократить выбором емкости кон­денсаторов и соответствующих интервалов времени заряда и разряда. (А) Конденсатор С\ заряжен до 20 В и поэтому хранит энергию 2000 микроджоулей. (В) Заряд, хранившийся в G, перераспределен мехсду ним и С2. Расчет показывает, что полная энергия, находящаяся в двух параллельно включенных конденсаторах G и С2 равна только 1000 микроджоулям.

Таким образом, только половина начальной энергии запасена в парал­лельно включенных конденсаторах! Где потерялись 1000 микроджоулей?

Конечно, дефицит энергии Вы должны приписать ^потерям». Интерес­но, что в использованном нами соотношении никак не отражено, через какое сопротивление заряжаются и разряжаются конденсаторы, мил-лиомы или мегаомы. Действительно, оказывается, что присутствие после­довательно включенного сопротивления влияет только на время, требуе­мое для заряда и разряда конденсаторов. В любом случае, при равенстве емкостей конденсаторов, 50 % начальной энергии будет потеряно, когда конденсаторы включаются параллельно. Природа, что отражено в исполь­зованном нами выражении, кажется знает, что половина начальной энер­гии будет потеряна в виде тепловой энергии, равной PR, звука, света и ра­диочастотного излучения. Кроме того, можно учесть утечки и гистерезис в диэлектрике. Считается, что все это не просто понять; возможно, проще принять это явление, опираясь на арифметику и анализируя, что происхо­дит, когда числа делятся на два, удваиваются и возводятся в квадрат. Суще­ственным моментом является то, что заряд и разряд конденсаторов сопро­вождается потерями энергии. Данный пример был выбран для иллюстрации крайне тяжелой ситуации. Практически, потери энергии можно значитель­но снизить соответствующим выбором циклов заряда и разряда, и соотно­шения между емкостями используемых конденсаторов.

В отличие от обычных переключающих схем, использующих катушки индуктивности, к.п.д. источника с переключением конденсатора можно оптимизировать при относительно низкой частоте переключения. Тем не менее очень низкая частота переключения приводит к снижению к.п.д., потому что конденсаторы не получают достаточного количества заряда при повторном пополнении, соответствующего расходу энергии (энергия х частота = мощность). Однако, рассеиваемая мощность, связанная с соб­ственными потерями коммутатора, увеличивается с повышением частоты переключения. Поэтому, оказывается, существует некоторый компромисс между низкой и высокой частотой переключения. Все это справедливо даже при идеальных конденсаторах и переключателях. При практической реализации источников с переключением конденсаторов, частоту пере­ключения можно выбрать в диапазоне от 10 до 30 кГц.

Теперь, суммируя все сказанное, находим: совсем необязательно те­рять большую часть энергии, запасенной в конденсаторе, при сбросе его заряда в другой конденсатор. В нашем примере это имело место пото­му, что перенос заряда происходил однократно. Если, наполнение заря­да и его передача происходят периодически, то потери энергии могут быть сделаны очень малыми. В то же время, эта операция не должна выполняться слишком часто, иначе малые потери переключения много­кратно увеличиваются, достигая значительного уровня. Таким образом, эффективное функционирование достигается в случае, когда происходит достаточно регулярное пополнение заряда. Слишком высокая частота переключения приводит только к уменьшению к.п.д. этого процесса. Учитывая размерность, можно получить величину мощности, которая может быть передана в нагрузку, потому что: мощность = (энергия) х (скорость передачи энергии). Исходная схема с периодической коммута­цией приведена на рис. 20.11. Когда ключи SI и S3 закрыты, то 52 и 54 открыты и наоборот. Инверсия полярности заложена в самом процессе. Кроме того, если воспользоваться связью, обозначенной пунктиром, то легко получить удвоение напряжения.

clip_image010

Рис. 20.11. Исходная схема устройства коммутации, используемого во многих инверторах и преобразователях с перекачкой заряда. Эта схема обеспечивает изменение полярности напряжения и может быть ис­пользована как удвоитель напряжения (клемма у пунктирной линии).

Примеры применения схем с переключением конденсатора показаны на рис. 20.12 и 20.13. Чтобы избежать путаницы из-за различий в термино­логии, используемой различными компаниями, имейте в виду, что под преобразователем с переключением конденсатора и преобразователем с перекачкой заряда имеются в виду одни и те же схемы. Так, термин инвер­тор традиционно имеет отношение к схемам, которые преобразуют по­стоянное напряжение в переменное. Они могут быть или автоколебатель­ными, или с внешним возбуждением. К сожалению схемы, которые изменяют полярность постоянного напряжения, тоже называются инвер­торами. Лучше было бы назвать эти схемы инверторами полярности.

clip_image012

clip_image014

Рис. 20.12. Варианты типичного применения ИС LTIOSA. (А) ин­вертор напряжения с нестабилизированным выходным напряжением. (В) инвертор напряжения со стабилизированным выходом. Linear Technology Corporation.

clip_image016

Рис. 20.13. Безиндуктивное преобразование напряжения одноэле­ментного аккумулятора в напряжение 5 В. ИС МАХ660 представляет собой удвоитель напряжения с переключаемым конденсатором. ИС МАХ667 является линейным стабилизатором с низким падением напряжения, maxim Integrated Products, Inc.

ИС jL71054 объединяет в себе преобразователь с переключением кон­денсатора и стабилизатор напряжения. Его блок-схема показана на рис. 20.14. Для большего удобства на схеме обозначены номера выводов. Ис­пользование той части ИС, которая осуществляет стабилизацию, не обя­зательно. Возможно использование многих вариантов изменения полярно­сти, удвоения напряжения и преобразования постоянного напряжения. Простейшим примером применением этой ИС является инвертор напря­жения, схема которого приведена на рис. 20.12А. Хорошие результаты мож­но получить применяя танталовые конденсаторы. Постоянное выходное напряжение в схеме на рис. 20.12А не стабилизировано. Однако падение на­пряжения при токе нагрузки 100 мА составляет около 1 В; во многих слу­чаях это достаточно хороший источник. Входное напряжение может изме­няться от 3,5 до 15 В. Номинальная частота переключения, при которой достигается оптимальный к.п.д., равна примерно 25 кГц. Однако внутрен­нюю частоту генератора можно понизить, подключая конденсатор между выводом 7 и землей, и повысить, включив его между выводами 7 и 2. Не­смотря на относительно низкие частоты, этот конденсатор имеет емкость всего лишь десятки пикофарад. Синхронизацию генератора можно осуще­ствить подавая сигнал чуть более высокой частоты на вывод 7.

Изготовитель предостерегает, что нельзя допускать, чтобы напряже­ние на выводе 5 было положительным относительно напряжения на лю­бом другом выводе. Это связано с тем, что вывод 5, кроме того, что он является выходным контактом, связан также с подложкой ИС. В двух предложенных схемах такой опасности не существует.

clip_image018

Рис. 20.14. Блок-схема ИС ?П054 преобразователя напряжения с переключением конденсатора и стабилизатором. Поскольку это схема перекачки заряда, то не требуется никакой катушки индуктивности. Linear Technology Corporation.

Добавляя несколько пассивных элементов, можно стабилизировать выходное шифяжение и при изменении постоянного входного напряже­ния, и при изменении тока нагрузки. Этот вариант схемы приведен на рис. 20.12В. Стабилизация достигнута с помощью дополнительного уп­равления эффективным сопротивлением коммутатора на /?л/?-транзисто-ре, показанного на блок-схеме. Хотя этот рпр- транзистор является час­тью переключающей схемы перекачки заряда, для осуществления стабилизации он управляется аналогично проходному элементу в линей­ном стабилизаторе. Поэтому не следует допускать слишком большой разницы между напряжениями на входе и выходе с тем, чтобы оставать­ся в пределах номинальной рассеиваемой мощности ИС L 71054.

Удачное применение метода перекачки заряда или переключения конденсатора показано на рис. 20.13. Устройство, составленное из двух ИС, представляет собой стабилизированный источник с выходным на­пряжением 5 В при токе 100 мА, питаемый от одноэлементного 3-х воль­тового литиевого аккумулятора. При токе нагрузки, равном 40 мА, схе­ма может непрерывно работать 16 часов.

ИС ЛШЙбО является схемой перекачки заряда, используемой в режи­ме зшвоения напряжения. Таким образом, на вход In ИС МАХ667, являю­щейся стабилизатором напряжения с малым падением напряжения, по­ступает номинальное напряжение 6 В. К.п.д. этой схемы составляет 95 %.

При токе нагрузки 100 мА, падение напряжение меньше 100 мВ. Очевид­но, что указанные параметры невозможно получить используя этот ли­тиевый аккумулятор с обычной ИС стабилизатора – к.п.д. будет слиш­ком низок, падение напряжения слишком велико.

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