Перетворювач полярності напруги на конденсаторах, що перемикаються. Схема, опис

Безкоштовна технічна бібліотека

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Перетворювач полярності напруги на конденсаторах, що перемикаються. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Радіоаматор-конструктор

Коментарі до статті

У статті розглянуті схемні варіанти перетворювача полярності напруги на конденсаторах, що перемикаються, з використанням двох перемикачів замість чотирьох.

У "Радіо" опубліковано статтю [1], де докладно розказано про принципи роботи цих перетворювачів, побудованих на чотирьох аналогових комутаторах. Нижче показано можливості реалізації подібних перетворювачів на двох перемикачах.

(Натисніть для збільшення)

Принцип роботи перетворювача двох електронних перемикачах пояснює схема на рис. 1. Перемикачами S1 та S2 керують два протифазні сигнали. Коли замкнуті "контакти" перемикача S1 (і розімкнуті S2), конденсатор С1 заряджається від джерела живлення через діод VD2 майже рівня Uпит (падінням напруги Uпр.д на відкритому діоді VD2 нехтуємо).

Потім, коли "контакти" перемикача S1 розмикаються, S2 замикаються, конденсатор С1 виявляється підключеним до конденсатора С2 через діод VD1. Внаслідок цього відбувається його розряджання на конденсатор С2. Напруга на конденсаторі С2 збільшиться до

а після декількох перемикань досягне значення |-UBblx| ≈ Uпіт- 2Uпр.д, якщо знехтувати значенням опору rn послідовного ланцюга розрядки. Таким чином, вихідна напруга мінусового плеча перетворювача буде завжди меншою, ніж плюсового.

Практична схема перемикача показано на рис. 2. Перетворювач зібраний на двох аналогових комутаторах DA1.1, DA1.2. Протифазні управляючі сигнали надходять на входи DE комутаторів. При замкнутому комутаторі DA1.1 через діод VD1 заряджається конденсатор С1, який після розмикання комутатора DA1.1 і замиканні DA1.2 розряджається через діод VD2 на конденсатор С2 і т. д. Навантажувальна характеристика перетворювача в рівних умовах майже така ж, як у прототип.

Слід зазначити, що для забезпечення жорсткої характеристики навантаження ємність конденсаторів С1 і С2 треба вибирати певним чином. Справа в тому, що мінусове плече навантаження живиться струмом розрядки конденсатора С2. В режимі, що встановився на етапах, коли комутатор DA1.2 розімкнуто і немає надходження енергії на конденсатор С2, зменшення напруги -Uвых не повинно виходити за межі допустимої для навантаження амплітуди змінної складової напруги (пульсації ΔU) зазвичай не більше 1 ...2 % від Uвих).

Отже, при шпаруватості керуючих сигналів, що дорівнює 2, і частоті перемикання f значення ємності конденсатора С2 повинне задовольняти умові

Значення ємності конденсатора С1 має бути таким, щоб на етапі замкнутого стану комутатора DA1.2 не тільки забезпечити необхідний струм навантаження з одночасним підвищенням напруги |-Uвих| на ΔU, втрачену за час попереднього етапу, але й компенсувати також втрати напруги на відкритих р-n переходах діодів VD1 та VD2 та активному опорі rn послідовного ланцюга зарядки конденсатора С2.

Очевидно, що ємність конденсатора С1 повинна бути більшою за ємність конденсатора С2. Так як відносна частка втрат на діодах VD1, VD2 і послідовному опорі rn тим більше, чим менше вихідна або напруга живлення, то на практиці ємність конденсатора С1 бажано вибирати не менш ніж у 2 і 1,3 рази більше ємності конденсатора С2 при напрузі Uпит, рівному 5 і 15 відповідно.

Найкращим чином для перетворювача підійдуть малопотужні низьковольтні діоди Шотки, особливо при малих значеннях Uвих. Це справедливо й інших різновидів перетворювача, розглянутих нижче.

Слід також врахувати, що при Uпит > 5...6 виникає небезпека перевантажень по струму через комутатори на самому початку пускового процесу. Для ослаблення перевантажень слід послідовно включити з конденсатором С1 додатковий струмообмежуючий резистор R1 (на рис. 2 показаний штриховою лінією). Наприклад, при Uпіт = 15, допустимому струмі через комутатор 20 мА і опорі замкнутого комутатора 100 Ом номінал резистора R1 знаходиться в межах 300 ... 400 Ом. І тут слід збільшити ємність конденсатора С1 значення 1,5С2.

Можливості перетворювача по струму можна істотно поліпшити, якщо як перемикачі S1 і S2 використовувати два комплементарні транзистори, включених в двотактний ступінь (рис. 3). Тут значення rn дуже мало і втратами на ньому можна знехтувати, а допустимий струм транзисторів значно більше, ніж у аналогових комутаторів.

Транзистори цього перетворювача керуються одним загальним сигналом протифазі. Якщо генератор цього сигналу зібраний на мікросхемах ТТЛ або КМОП, струмові можливості транзистора VT1 не можуть бути використані повністю внаслідок того, що допустимий вихідний струм високого рівня цих мікросхем (що випливає), як правило, істотно менше струму низького рівня (що втікає).

Однак подібний недолік легко усунути, застосувавши обидва транзистори структури pn-р, які базовий ланцюг живити двома керуючими імпульсними послідовностями, зрушеними по фазі на 180 град. У цьому випадку знадобляться два базові струмообмежуючі резистори однакового опору.

Номінал цих резисторів визначають з урахуванням напруги Uпіт, максимально допустимого струму колектора (Ikmax) та статичного коефіцієнта передачі струму бази h21е- Причому для схеми на рис. 3 треба додатково врахувати значення допустимого струму генератора керуючого сигналу. Правильно вибраний номінал базових резисторів виключає можливість появи струмового навантаження транзисторів (особливо при пуску), а також генератора сигналу, що управляє (у всіх режимах).

У цьому полягає перевага перетворювачів на транзисторах порівняно із зібраними на аналогових комутаторах (див. рис. 2), де захист від перевантажень по струму досягається погіршенням навантажувальної характеристики введенням струмообмежувального резистора R1.

Тепер, коли обмежений струм через обидва р-n-р транзистори, можна при визначенні максимально допустимого струму навантаження lH max оперувати вже максимальним струмом через зазначені транзистори:

Крім того, завдяки можливості роботи перемикальних транзисторів у режимі насичення, можна знехтувати втратами розрядного ланцюга та висловити вихідну напругу більш точним співвідношенням: |-Uвих| = Uпит - 2Uпр.д.

Можливості струму перетворювача на комплементарних транзисторах (рис. 3) можна істотно підвищити, якщо як генератор управляючих імпульсів використовувати аналоговий таймер КР1006ВІ1 за однією зі схем [2]. Можна також посилити струмом управляючий сигнал емітерним повторювачем на транзисторі n-р-n. Тоді навантажувальна характеристика цього перетворювача буде такою самою, як у зібраного на pnp транзисторах.

Найцікавіший, на мою думку, варіант побудови на таймері КР1006ВІ1 перетворювача (рис. 4), який виконує функції обох перемикачів, Таймер включений за схемою тригера Шмітта [2]. Один з виходів таймера - висновок 3 - допускає струм, що витікає, і витікає струм до 100 мА (в імпульсі - 200 мА). Для управління таймером потрібна одна послідовність малопотужних імпульсів, що подається на об'єднані входи R та S; струмообмежувального резистора не потрібно.

(Натисніть для збільшення)

Завдяки введенню в перетворювач полярності двох діодів з'являється можливість побудувати ще простіший перетворювач - всього на одному транзисторі (рис. 5). Прототипом тут є вузол за схемою на рис. 1 де перемикач S1 замінений резистором R1, a S2 - транзистором VT1.

Коли транзистор закритий, через резистор R1 і діод VD1 заряджається конденсатор С1, як тільки транзистор відкривається, цей конденсатор розряджається через діод VD2 на конденсатор С2.

Внаслідок простоти дуже скромні та його струмові можливості через низький ККД. При відкритому транзисторі VT1 поруч із струмом розрядки конденсатора С1 протікає також марний струм від джерела живлення, рівний Uпит/R1 і значно більший, ніж струм навантаження. Однак, якщо ККД не входить до критичних факторів, цей перетворювач може знайти застосування в малопотужних блоках живлення з вихідним струмом до декількох міліампер.

Декілька слів - про оптимальну робочу частоту розглянутих перетворювачів полярності. З наведеної вище формули для ємності С2 випливає, що більшій частоті відповідає менша ємність, необхідна для забезпечення необхідного вихідного струму. Гранична частота тут більшою мірою визначена частотними характеристиками елементів, насамперед конденсаторів та перемикачів.

Оптимальною для пристроїв за схемою на рис. 3 і 4, де, виходячи з можливостей отримання відносно великих значень струму навантаження, можна застосовувати оксидні конденсатори, слід вважати частоту в межах 10...20 кГц. А в менш потужних перетворювачах з перемикачем на аналогових комутаторах частоту можна підвищити практично до 100 кГц при використанні мініатюрних високочастотних конденсаторів.

Верхня межа частоти перетворювачів з перемикачем на двох транзисторах обмежена також тією обставиною, що через різницю значень часу їх включення та вимкнення неминуче з'являється наскрізний струм, динамічні втрати від якого різко зростають зі збільшенням частоти. Тому зменшення ємності конденсаторів С1 та С2 з підвищенням частоти та перехід на неоксидні конденсатори не завжди дають позитивний ефект.

Однак основною перешкодою на шляху підвищення струмових можливостей до номінального значення струму застосованих перемикачів є, звичайно, послідовний опір ланцюгів rn зарядки і розрядки. Вважаю, що через нього і відбувається різкий спад вихідної напруги перетворювачів на аналогових комутаторах (тим більше з чотирма комутаторами, як у [1]) при значеннях струму істотно менших, ніж допускають самі перемикачі.

Щодо цього перетворювачі на схемі на рис. 3 і 4 вигідно відрізняються майже вдесятеро меншим опором rn.

На закінчення зауважимо, що у випадках, коли шпаруватість Q керуючих імпульсів більше двох, розрахункове значення ємності конденсаторів С1 та С2 слід збільшити на коефіцієнт 0,5Q.

література

Нечаєв І. Перетворювач полярності напруги на конденсаторах, що перемикаються. – Радіо, 2001, № 1, с. 54.
Гутников В. Інтегральна електроніка у вимірювальній техніці. - Л.: Видавництво, 1988.

Автор: Е. Мурадханян, м. Єреван, Вірменія

Дивіться інші статті розділу Радіоаматор-конструктор.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Термоелектрогенератор, який використовує тепло людини 19.02.2013

Компанія Fujifilm представила високоефективний термоелектричний перетворювач на основі органічних матеріалів. Новий термоелектричний генератор відкриває широкі можливості автономного живлення перспективних мобільних пристроїв з малим енергоспоживанням.

Безрозмірний коефіцієнт продуктивності (ZT) нового термоелектричного генератора становить 0,27, але фахівці Fujifilm стверджують, що реальна продуктивність вища. На виставці, яка нещодавно пройшла в Токіо, прототип термоелектричного перетворювача демонстрував потужність кілька міліватів. При цьому новинка може генерувати електрику навіть із різниці температур 1 градус Цельсія.

Fujifilm не розкриває подробиці про технологію виготовлення та склад органічного матеріалу, з якого зроблено новий тип термоелектричного генератора. Зазначається лише, що його створено з урахуванням розробок японського інституту AIST. Фахівці з цієї установи у 2011 році розробили технологію друку термоелектричних пристроїв на гнучких підкладках, таких як пластикові плівки та папір. При цьому використовувався композитний матеріал, що складається з вуглецю, розпорошеного на полімерній матриці. Даний матеріал, виконаний на нанорівні, здатний генерувати в 1,5 разів більше потужності, ніж звичайні друковані аналоги. Так, в ході експериментів різниця між температурою руки та температурою в приміщенні (36 і 25 градусів Цельсія відповідно) дозволяла генерувати струм з напругою 108,9 мВ.

У Fujifilm сподіваються, що нова термоелектрична технологія дозволить живити різні датчики, розміщені на людському тілі, включаючи медичні сенсори та сенсори, що контролюють параметри довкілля. Крім того, дешеві органічні термоелектричні модулі можна застосовувати для підвищення ефективності сонячних панелей, автотранспорту, заряджання мобільних пристроїв та малопотужної автоматики.

Інші цікаві новини:

▪ Чому Інтернет-торгівля не витіснить звичайну

▪ Камери у супермаркеті спостерігають покупцями для створення цільової реклами

▪ Інновації дисплеїв від LG

▪ Амеба на гумовій доріжці

▪ Серверний 3D-прискорювач Intel H3C XG310

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Акумулятори, зарядні пристрої. Добірка статей

▪ стаття Людина-звір. Крилатий вислів

▪ стаття Яка велика Сонячна система? Детальна відповідь

▪ стаття Масліна європейська. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Антена YAGI на 28 МГц. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Уповільнення реакцій у желатиновому розчині. Хімічний досвід

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт