Menu English Ukrainian Russian Home

Бесплатная техническая библиотека для любителей и профессионалов Бесплатная техническая библиотека


Преобразователь полярности напряжения на переключаемых конденсаторах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатная техническая библиотека

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

Комментарии к статье Комментарии к статье

В статье рассмотрены схемные варианты преобразователя полярности напряжения на переключаемых конденсаторах с использованием двух переключателей вместо четырех.

В "Радио" опубликована статья [1], где подробно рассказано о принципах работы этих преобразователей, построенных на четырех аналоговых коммутаторах. Ниже показаны возможности реализации подобных преобразователей на двух переключателях.

Преобразователь полярности напряжения на переключаемых конденсаторах
(нажмите для увеличения)

Принцип работы преобразователя на двух электронных переключателях поясняет схема на рис. 1. Переключателями S1 и S2 управляют два противофазных сигнала. Когда замкнуты "контакты" переключателя S1 (и разомкнуты S2), конденсатор С1 заряжается от источника питания через диод VD2 почти до уровня Uпит (падением напряжения Uпр.д на открытом диоде VD2 пренебрегаем).

Затем, когда "контакты" переключателя S1 размыкаются, a S2 замыкаются, конденсатор С1 оказывается подключенным к конденсатору С2 через диод VD1. Вследствие этого происходит его разрядка на конденсатор С2. Напряжение на конденсаторе С2 увеличится до

а после нескольких переключений достигнет установившегося значения |-UBblx| ≈ Uпит- 2Uпр.д, если пренебречь значением сопротивления rn последовательной цепи разрядки. Таким образом, выходное напряжение минусового плеча преобразователя будет всегда меньше, чем плюсового.

Практическая схема переключателя показана на рис. 2. Преобразователь собран на двух аналоговых коммутаторах DA1.1, DA1.2. Противофазные управляющие сигналы поступают на входы DE коммутаторов. При замкнутом коммутаторе DA1.1 через диод VD1 заряжается конденсатор С1, который затем после размыкания коммутатора DA1.1 и замыкании DA1.2 разряжается через диод VD2 на конденсатор С2 и т. д. Нагрузочная характеристика преобразователя в равных условиях почти такая же, как у прототипа.

Следует отметить, что для обеспечения жесткой нагрузочной характеристики емкость конденсаторов С1 и С2 надо выбирать определенным образом. Дело в том, что минусовое плечо нагрузки питается током разрядки конденсатора С2. В установившемся режиме на этапах, когда коммутатор DA1.2 разомкнут и нет поступления энергии на конденсатор С2, уменьшение напряжения -Uвых не должно выходить за пределы допустимой для нагрузки амплитуды переменной составляющей напряжения (пульсации ΔU) обычно не более 1 ...2 % от Uвых).

Следовательно, при скважности управляющих сигналов, равной 2, и частоте переключения f значение емкости конденсатора С2 должно удовлетворять условию

Значение же емкости конденсатора С1 должно быть таким, чтобы на этапе замкнутого состояния коммутатора DA1.2 не только обеспечить требуемый ток нагрузки с одновременным повышением напряжения |-Uвых| на ΔU, утраченную за время предыдущего этапа, но и компенсировать также потери напряжения на открытых р-n переходах диодов VD1 и VD2 и активном сопротивлении rn последовательной цепи зарядки конденсатора С2.

Очевидно, что емкость конденсатора С1 должна быть больше емкости конденсатора С2. Так как относительная доля потерь на диодах VD1, VD2 и последовательном сопротивлении rn тем больше, чем меньше выходное или питающее напряжение, то на практике емкость конденсатора С1 желательно выбирать не менее чем в 2 и 1,3 раза больше емкости конденсатора С2 при напряжении Uпит, равном 5 и 15 В соответственно.

Наилучшим образом для преобразователя подойдут маломощные низковольтные диоды Шотки, особенно при малых значениях Uвых. Это справедливо и для других разновидностей преобразователя, рассмотренных ниже.

Следует также учесть, что при Uпит > 5...6 В возникает опасность перегрузок по току через коммутаторы в самом начале пускового процесса. Для ослабления перегрузок следует включить последовательно с конденсатором С1 дополнительный токоограничивающий резистор R1 (на рис. 2 показан штриховой линией). Например, при Uпит = 15 В, допустимом токе через коммутатор 20 мА и сопротивлении замкнутого коммутатора 100 Ом номинал резистора R1 находится в пределах 300...400 Ом. В этом случае следует увеличить емкость конденсатора С1 до значения 1,5С2.

Возможности преобразователя по току можно существенно улучшить, если в качестве переключателей S1 и S2 использовать два комплементарных транзистора, включенных в двутактную ступень (рис. 3). Здвсь значение rn очень мало и потерями на нем можно пренебречь, а допустимый ток транзисторов значительно больше, чем у аналоговых коммутаторов.

Транзисторы этого преобразователя управляются одним общим сигналом в противофазе. Если генератор этого сигнала собран на микросхемах ТТЛ или КМОП, токовые возможности транзистора VT1 не могут быть использованы полностью вследствие того, что допустимый выходной ток высокого уровня этих микросхем (вытекающий), как правило, существенно меньше тока низкого уровня (втекающего).

Однако подобный недостаток легко устранить, применив оба транзистора структуры p-n-р, а их базовую цепь питать двумя управляющими импульсными последовательностями, сдвинутыми по фазе на 180 град. В этом случае потребуются два базовых токоограничивающих резистора одинакового сопротивления.

Номинал этих резисторов определяют с учетом напряжения Uпит, максимально допустимого тока коллектора (Ikmax) и статического коэффициента передачи тока базы h21э- Причем для схемы на рис. 3 надо дополнительно учесть значение допустимого вытекающего тока генератора управляющего сигнала. Правильно выбранный номинал базовых резисторов исключает возможность появления токовой перегрузки транзисторов (особенно при пуске), а также генератора управляющего сигнала (во всех режимах).

В этом состоит достоинство преобразователей на транзисторах по сравнению с собранными на аналоговых коммутаторах (см. рис. 2), где защита от перегрузок по току достигается ухудшением нагрузочной характеристики введением токоограничивающего резистора R1.

Теперь, когда ограничен ток через оба р-n-р транзистора, можно при определении максимально допустимого тока нагрузки lH max оперировать уже максимальным током через указанные транзисторы:

Кроме того, благодаря возможности работы переключательных транзисторов в режиме насыщения, можно пренебречь потерями разрядной цепи и выразить выходное напряжение более точным соотношением: |-Uвых| =Uпит - 2Uпр.д.

Возможности по току преобразователя на комплементарных транзисторах (рис. 3) можно существенно повысить, если в качестве генератора управляющих импульсов использовать аналоговый таймер КР1006ВИ1 по одной из схем в [2]. Можно также усилить по току управляющий сигнал эмиттерным повторителем на транзисторе n-р-n. Тогда нагрузочная характеристика этого преобразователя будет такой же, как у собранного на p-n-p транзисторах.

Наиболее интересен, по моему мнению, вариант построения на таймере КР1006ВИ1 преобразователя (рис. 4), который выполняет функции обоих переключателей, Таймер включен по схеме триггера Шмитта [2]. Один из выходов таймера - вывод 3 - допускает втекающий и вытекающий ток до 100 мА (в импульсе - 200 мА). Для управления таймером требуется одна последовательность маломощных импульсов, подаваемая на объединенные входы R и S; токоограни-чительного резистора не требуется.

Преобразователь полярности напряжения на переключаемых конденсаторах
(нажмите для увеличения)

Благодаря введению в преобразователь полярности двух диодов появляется возможность построить еще более простой преобразователь - всего на одном транзисторе (рис. 5). Прототипом здесь служит узел по схеме на рис. 1, где переключатель S1 заменен резистором R1, a S2 - транзистором VT1.

Когда транзистор закрыт, через резистор R1 и диод VD1 заряжается конденсатор С1, а как только транзистор открывается, этот конденсатор разряжается через диод VD2 на конденсатор С2.

Вследствие простоты очень скромны и его токовые возможности из-за низкого КПД. При открытом транзисторе VT1 наряду с током разрядки конденсатора С1 протекает также бесполезный ток от источника питания, равный Uпит/R1 и значительно больший, чем ток нагрузки. Однако, если КПД не входит в число критичных факторов, этот преобразователь может найти применение в маломощных блоках питания с выходным током до нескольких миллиампер.

Несколько слов - об оптимальной рабочей частоте рассмотренных преобразователей полярности. Из вышеприведенной формулы для емкости С2 следует, что большей частоте соответствует меньшая емкость, необходимая для обеспечения требуемого выходного тока. Предельная частота здесь в большее степени определена частотными характеристиками элементов, в первую очередь конденсаторов и переключателей.

Оптимальной для устройств по схеме на рис. 3 и 4, где, исходя из возможностей получения относительно больших значений тока нагрузки, можно применять оксидные конденсаторы, следует считать частоту в пределах 10. ..20 кГц. А в менее мощных преобразователях с переключателем на аналоговых коммутаторах частоту допустимо повысить практически до 100 кГц при использовании миниатюрных высокочастотных конденсаторов.

Верхняя граница частоты преобразователей с переключателем на двух транзисторах ограничена также тем обстоятельством, что из-за разности значений времени их включения и выключения неизбежно появляется сквозной ток, динамические потери от которого резко возрастают с увеличением частоты. Поэтому уменьшение емкости конденсаторов С1 и С2 с повышением частоты и переход на неоксидные конденсаторы не всегда дают положительный эффект.

Однако основным препятствием на пути повышения токовых возможностей до номинального значения тока примененных переключателей является, конечно, последовательное сопротивление rn цепей зарядки и разрядки. Полагаю, что из-за него и происходит резкий спад выходного напряжения преобразователей на аналоговых коммутаторах (тем более с четырьмя коммутаторами, как в [1]) при значениях тока, существенно меньших, чем допускают сами переключатели.

В этом отношении преобразователи на схеме на рис. 3 и 4 выгодно отличаются почти в десять раз меньшим сопротивлением rn.

В заключение заметим, что в случаях, когда скважность Q управляющих импульсов больше двух, расчетное значение емкости конденсаторов С1 и С2 следует увеличить на коэффициент 0,5Q.

Литература

  1. Нечаев И. Преобразователь полярности напряжения на переключаемых конденсаторах. - Радио, 2001, № 1, с. 54.
  2. Гутников В. Интегральная электроника в измерительной технике. - Л.: Энергоиздат, 1988.

Автор: Э. Мурадханян, г.Ереван, Армения

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Использование Apple Vision Pro во время операций 16.03.2024

Медицинская команда больницы Кромвеля в Лондоне впервые применила Apple Vision Pro в ходе двух операций на позвоночнике. Это событие подтверждает потенциал гарнитуры в качестве медицинского инструмента, изменяющего подход к хирургической практике. Хотя сами врачи не использовали Vision Pro, операционная медсестра работала с виртуальной реальностью, используя очки во время подготовки и выполнения процедур. Гарнитура позволила просматривать виртуальные экраны в операционной, выбирать инструменты и следить за ходом операции. Программное обеспечение, разработанное компанией eXeX, специализирующейся на создании приложений на основе искусственного интеллекта для хирургии, существенно улучшило процесс оказания медицинской помощи пациентам. Использование Apple Vision Pro открывает новые возможности для разработки приложений в сфере здравоохранения, таких как клиническое образование, планирование операций, обучение и медицинская визуализация. Внедрение Apple Vision Pro в медицинскую пр ...>>

Хранение углерода в Северное море 16.03.2024

Министр энергетики Норвегии Терье Осланд объявил о запуске проекта Longship, нацеленного на создание центрального хранилища углекислого газа в Северном море. Этот амбициозный проект оценивается в $2,6 млрд и направлен на применение технологии CCS (углеродного захвата и хранения) для смягчения воздействия климатических изменений. Норвегия уже имеет опыт в области CCS благодаря успешным проектам Sleipner и Snohvit, и сейчас стремится увеличить объем углерода, запечатываемого под морским дном. План Longship предусматривает создание мощности по захвату и хранению 1,5 млн. тонн углерода ежегодно в течение 25 лет. Несмотря на позитивные перспективы, существуют опасения по поводу долгосрочных последствий такого хранения. Однако сторонники проекта утверждают, что морское хранение углерода имеет ряд преимуществ, включая минимальное воздействие на окружающую среду. Проект Longship осуществляется при участии компаний Equinor, Shell и TotalEnergies через совместное предприятие Northern Li ...>>

Выращены мини-органы из амниотической жидкости человека 15.03.2024

Международная команда ученых под руководством профессора Фань Сюлиня из Университета Чжэцзян разработала уникальный способ выращивания мини-органов из клеток, обнаруженных в амниотической жидкости человека. Этот значительный прорыв в медицине может привести к улучшению диагностики и лечения врожденных заболеваний. Органоиды, представляющие собой трехмерные клеточные структуры, имитирующие органы в меньшем масштабе, были выращены из клеток легких, почек и тонкого кишечника, найденных в амниотической жидкости. Этот метод открывает новые возможности для изучения различных состояний плода и может стать ключом к ранней диагностике и лечению врожденных дефектов. Хотя пока не проводились попытки использования этого метода в лечении, ученые надеются, что их исследования в будущем помогут бороться с серьезными врожденными заболеваниями, которые затрагивают миллионы новорожденных ежегодно. Этот прорыв может изменить практику медицинских вмешательств, позволяя диагностировать и лечить врожд ...>>

Случайная новость из Архива

Тонкие плазменные излучатели: революция в шумоподавлении 13.07.2023

Федеральная политехническая школа Лозанны (EPFL) в Швейцарии предоставила компании Sonexos лицензию на коммерческую реализацию своей технологии активного шумоподавления с использованием тонких плазменных излучателей, над которой исследователи работали несколько лет.

Команда исследователей EPFL разработала ультратонкую систему активного шумоподавления, используя плазменные излучатели, ионизирующие воздух. Слои толщиной 17 мм способны блокировать шум на частоте 20 Гц также эффективно, как и 4-метровая стена.

Активное шумоподавление (ANC) основывается на измерении звуковых волн с помощью микрофона и создании антиволн, противодействующих звуку. ANC хорошо работает в наушниках и автомобилях, где акустическая среда относительно контролируема.

ANC также может быть применено в помещении, но для подавления низкочастотного длинноволнового шума требуется большое количество динамиков или массивная стена. Что, если бы излучатели были сверхтонкими листами, а не массивными диффузорами? Команда EPFL Acoustic Group разработала систему шумоподавления на основе ионных плазменных излучателей, которые легки, тонки, просты в производстве и экономически доступны.

Излучатели работают подобно ионным двигателям: они ионизируют окружающий воздух с помощью электрического поля и создают плазму из положительно и отрицательно заряженных частиц. Затем эти ионы магнитно ускоряются и отталкиваются от окружающего воздуха, создавая контрдавление. Путем изменения напряжения можно мгновенно регулировать количество проталкиваемого воздуха. Плазменные излучатели не претендуют на конкуренцию с обычными динамиками в качестве звука, но они очень чувствительны к изменениям напряжения, благодаря отсутствию тяжелой мембраны.

Ранее ионные излучатели успешно демонстрировали свою эффективность в подавлении высоких частот, но за последние несколько лет исследователям удалось добиться блокировки и низких звуков. Частота 20 Гц является нижней границей человеческого слуха, а длина волны на этой частоте составляет 17 метров. Обычным акустическим материалам потребовалось бы около 4 метров в толщину, чтобы заглушить эту волну. Однако плазменный слой может полностью подавить эту волну всего при толщине в одну тысячную длины волны - 17 мм.

Другие интересные новости:

▪ Бессмертные квантовые частицы

▪ Радар согреет

▪ Голосовое управление кондиционерами LG

▪ Температура мирового океана поднимается четыре года подряд

▪ Управление фононами при помощи фотонов света

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

 

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Заводские технологии на дому. Подборка статей

▪ статья Ты и убогая, ты и обильная. Крылатое выражение

▪ статья Какой художник под впечатлением от работы другого полностью переделал свою фреску? Подробный ответ

▪ статья Азалия. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Слуховой аппарат. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Кашубские пословицы и поговорки. Большая подборка

Оставьте свой комментарий к этой статье:

Имя:


E-mail (не обязательно):


Комментарий:





All languages of this page

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua

www.diagram.com.ua
2000-2024