|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Преобразователь полярности напряжения на переключаемых конденсаторах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору 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.
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.
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
Автор: Э. Мурадханян, г.Ереван, Армения
Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи
11.10.2026 Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха
11.10.2026 Лазерное переключение магнитов
10.10.2026
▪ Телефон, способный испортить аппетит ▪ Новая система швартовки судов с помощью мощных электромагнитов
▪ раздел сайта Усилители низкой частоты. Подборка статей ▪ статья Картофелесажалка. Чертеж, описание ▪ статья Как навыки Дэвида Копперфильда помогли ему избежать ограбления? Подробный ответ ▪ статья Пружина под копирку. Домашняя мастерская ▪ статья Простой датчик мороза. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте
www.diagram.com.ua |
Смотрите другие статьи раздела 
Последние новости науки и техники, новинки электроники: