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:

Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте 01.08.2026

Планшеты и смартфоны давно стали привычной частью повседневной жизни даже самых маленьких детей. Родители часто используют гаджеты, чтобы успокоить малыша или занять его на время, однако ученые все чаще задаются вопросом, как экранное время сказывается на развитии мозга и будущей способности к обучению. Новое исследование показывает, что значение имеет не только продолжительность просмотра, но и возраст, в котором ребенок проводит время перед экраном. Ученые наблюдали детей от рождения до 8 лет. Оказалось, что больше всего экраны влияют на мозг в два периода - в раннем младенческом возрасте и перед поступлением в школу. У детей, много времени проводивших перед экранами в эти возрастные точки, в 9 лет были несколько хуже успехи в обучении, а в 10,5 лет хуже работала рабочая память - способность удерживать и обрабатывать информацию здесь и сейчас. Исследователи из Франции и Сингапура проанализировали данные 502 детей и выделили два ключевых этапа. У младенцев мозг развивается очень ...>>

Умные жилеты, спасающие от жары 01.08.2026

Летняя жара в больших городах все чаще становится серьезным испытанием для людей, работающих на открытом воздухе. Мусорщики, строители и другие специалисты вынуждены проводить часы под палящим солнцем, рискуя перегревом. Китайские инженеры предложили практичное решение - специальные охлаждающие жилеты, которые помогают снизить ощущаемую температуру примерно на 10 градусов. Пока мир страдает от сильной жары, китайские инженеры разработали "умные" жилеты с климат-контролем. Жилеты с кондиционированием почти не отличаются от обычной рабочей одежды. Главное отличие - в системе охлаждения. В городе Нанкин в жилет вмонтированы два вентилятора, работающих от портативных аккумуляторов. Одного заряда хватает на 3-4 часа непрерывной работы. В Чанчжоу решили разместить в карманах охлаждающие элементы с материалом, который при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое, активно поглощая тепло. Это поддерживает комфортную температуру в течение 2,5-4 часов. Такие жилеты выглядят почти ...>>

Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию 31.07.2026

Традиционные ветряные электростанции зависят от силы и стабильности ветра у поверхности земли, где воздушные потоки часто бывают слабыми и порывистыми. На больших высотах ветер обычно сильнее и постояннее, поэтому инженеры уже давно рассматривают возможность подъема турбин в воздух. Китайская компания сделала важный шаг в этом направлении, перейдя от испытаний к мелкосерийному производству. Компания Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology запустила мелкосерийное производство летающей ветротурбины S2000, а в провинции Чжэцзян возводят отдельный завод по производству материалов для оболочки аппарата. У компании уже есть предварительные договоренности с прибрежными городами и горными регионами, которые рассматривают возможность использования этой технологии для удовлетворения собственных энергетических потребностей. Прототип, который полгода назад только что поднялся в небо над Сычуанем, теперь превращается в целую отрасль. Идея S2000 проста: вместо того чтобы устанавливать ветряну ...>>

Случайная новость из Архива Упражнения для ног положительно влияют на здоровье мозга и нервной системы 03.06.2018 Ученые из Миланского государственного университета (Италия) провели эксперимент, в котором несколько мышей передвигались только с помощью передних лап в течение 28 дней. Грызуны продолжали нормально питаться и двигаться. Они не испытывали стресс (иначе эксперимент не дал бы точных результатов). Спустя почти месяц биологи исследовали область мозга - субвентрикулярная зону, которая у многих млекопитающих отвечает за поддержание здоровья нервных клеток. В этой же области нервные стволовые клетки производят новые нейроны. Эксперимент показал, что ограниченная физическая активность уменьшила количество нейронных стволовых клеток на 70 процентов по сравнению с контрольной группой мышей, которым разрешалось ходить на четырех лапах. Кроме того, как нейроны, так и олигодендроциты (специальные вспомогательные клетки, которые поддерживают нервные клетки) полностью не созревали, когда физическая нагрузка были значительно уменьшена. Исследования показывают, что, работая (особенно в упражнении с тяжелым весом), мышцы ног посылют сигналы мозгу, которые жизненно важны для производства здоровых нервных клеток, необходимых для мозга и нервной системы. Если упражнения делаются редко, организм испытывает трудности и не может создавать новые нервные клетки - те самые "строительные блоки", которые позволяют нам справляться со стрессом и адаптироваться к непростым вызовам в нашей жизни. "Не случайно мы должны быть активными: ходить, бегать, приседать, сидеть и использовать мышцы ног, чтобы поднять вещи", - говорит доктор Адами. Исследователи также проанализировали отдельные клетки и обнаружили, что ограничение упражнений снижает количество кислорода в организме, что создает анаэробную среду и изменяет обмен веществ. Снижение упражнений также, по-видимому, влияет на два гена, один из которых, CDK5Rap1, очень важен для здоровья митохондрий - "электростанции" организма, которая занимается синтезом АТФ (аденозинтрифосфата), играющего большое значение в обмене энергии и веществ. Эти результаты проливают свет на несколько важных проблем со здоровьем, начиная с сердечно-сосудистых заболеваний, которые возникают из-за сидячего образа жизни, и заканчивая такими болезнями, как спинальная мышечная атрофия, рассеянный склероз и болезнь моторных нейронов.

Другие интересные новости:

▪ В российских поездах появится интернет

▪ Переработка мочи и пота космонавтов в питьевую воду

▪ Внешность может повлиять на долголетие

▪ Аэротакси для междугородных перевозок

▪ Защита спиновых кубитов от внешнего шума

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Технологии радиолюбителя. Подборка статей

▪ статья Мишель де Монтень. Знаменитые афоризмы

▪ статья Что такое медь? Подробный ответ

▪ статья Функциональный состав телевизоров Loewe. Справочник

▪ статья Противоугонное устройство для мотоцикла. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Блок питания, 1-29 вольта 2 ампера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026