Преобразователь полярности напряжения на переключаемых конденсаторах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 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.

(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.

(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:

Глазные капли, возвращающие молодость зрению 05.10.2025

С возрастом человеческий глаз постепенно теряет способность четко видеть на близком расстоянии - развивается пресбиопия, или возрастная дальнозоркость. Этот естественный процесс связан с утратой эластичности хрусталика и ослаблением цилиарной мышцы, отвечающей за фокусировку. Миллионы людей по всему миру сталкиваются с необходимостью носить очки для чтения или прибегают к хирургическим методам коррекции. Однако исследователи из Центра передовых исследований пресбиопии в Буэнос-Айресе представили решение, которое может стать удобной и неинвазивной альтернативой - специальные глазные капли, способные улучшать зрение на длительный срок. Разработку возглавила Джованна Беноцци, директор Центра. По ее словам, цель исследования состояла в том, чтобы предоставить пациентам с пресбиопией эффективный и безопасный способ коррекции зрения без хирургического вмешательства. Новые капли, созданные на основе пилокарпина и диклофенака, показали убедительные результаты: уже через час после первого пр ...>>

Цифровая рация Xiaomi Digital Walkie Talkie 05.10.2025

Компания Xiaomi представила современное устройство, объединившее классические принципы радиосвязи с возможностями цифровых технологий. Новинка под названием Xiaomi Digital Walkie Talkie демонстрирует, как привычные рации могут быть переосмыслены в духе времени. Устройство оснащено цветным дисплеем диагональю 1,57 дюйма, который отображает список контактов, параметры соединения и даже примерное местоположение собеседника. Такой подход превращает стандартную рацию в компактное средство связи, сочетающее функциональность смартфона и устойчивость профессиональной техники. Одним из ключевых преимуществ стала высокая автономность. Встроенный аккумулятор емкостью 2500 мА·ч обеспечивает до 100 часов работы в режиме ожидания и около 14 часов непрерывных разговоров, что особенно важно в экспедициях, на дальних маршрутах или в зонах, где подзарядка невозможна. Согласно данным портала unionrayo.com, такое время работы выгодно отличает устройство от большинства аналогов. По дальности дейст ...>>

Открыт обращаемый драйвер старения 04.10.2025

Недавняя работа ученых из Сямэньского университета в Китае показала, что в гипоталамусе, главном регуляторе внутренних функций организма, кроется один из ключей к продлению молодости. Команда под руководством Лиге Ленга обнаружила, что снижение уровня белка менина в гипоталамусе связано с ускорением процессов старения. Менин, как выяснилось, играет важную роль в предотвращении воспаления и поддержании нормальной работы нейронов. Когда его уровень снижается, в мозге возрастает активность воспалительных сигналов, что запускает цепную реакцию возрастных изменений во всем организме - от ослабления когнитивных функций до потери плотности костей и истончения кожи. Чтобы понять, как именно менин влияет на старение, ученые вывели генномодифицированных мышей, у которых этот белок можно было выборочно отключить. Даже у молодых животных такое вмешательство быстро привело к ухудшению памяти, снижению прочности костей и эластичности кожи, а также к укорочению жизни. Эти результаты убедительно ...>>

Случайная новость из Архива Жесткий диск с сервисами восстановления данных 05.10.2014 Компания Seagate Technology представила Seagate Surveillance HDD - специализированный жесткий диск для систем видеонаблюдения и анализа видео, оснащенный сервисами Seagate Rescue. Сервисы восстановления данных позволят вернуть информацию, утраченную в результате умышленного вмешательства или несчастного случая. В целом с помощью Seagate Rescue возможно в обычных условиях восстановить данные за последние 2 недели (в зависимости от типа восстановления) с вероятностью успеха 90%. При этом план восстановления, активируемый во время покупки жесткого диска, гарантирует 3-летнюю защиту от утери информации. Оптимизированные для систем видеонаблюдения жесткие диски седьмого поколения Surveillance HDD имеют емкость до 6 ТБ, достаточную для записи 600 часов видео высокой четкости (HD). Разработанные специально для хранения видео накопители оснащены опциями для подключения датчиков ротационной вибрации (RV), что позволяет им безотказно работать в системах, объединяющих до 16 жестких дисков. Таким образом, диски подходят для компаний малого и среднего бизнеса, не имеющих зачастую собственной ИТ-поддержки, но остро нуждающихся в хранении больших объемов видео высокой четкости и резервных копий, отметили в Seagate. Разработанные специально для одновременной записи видео с нескольких камер вне зависимости от требований к разрешению диски Surveillance HDD поддерживают 32 канала и справляется с высокими нагрузками на запись, создаваемыми системами видеонаблюдения. По данным компании, среднее время наработки на отказ (Mean Time Before Failure/MTBF) у Surveillance HDD составляет 1 млн часов. При разработке накопителя учитывалось и снижение энергопотребления и тепловыделения, что позволяет более гибко проектировать архитектуру систем хранения.

Другие интересные новости:

▪ Электрический сноуборд Cyrusher

▪ Подкожный чип для мгновенного анализа крови

▪ Невидимые автомобильные динамики

▪ Чат-бот Nvidia, работающий без интернета

▪ Ген скорости

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Биографии великих ученых. Подборка статей

▪ статья Маргарет Митчелл. Знаменитые афоризмы

▪ статья Откуда берутся алмазы? Подробный ответ

▪ статья Машинист компрессора ЗИФ-55. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья PIC-контроллер в автомобильных часах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Индикатор порядка чередования фаз. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025