|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Конденсаторний перетворювач напруги з множенням струму
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Перетворювачі напруги, випрямлячі, інвертори Прагнучи до зменшення габаритів радіоапаратури, що конструюється, радіоаматори приділяють важливе місце мініатюризації блоку живлення. Зазвичай це завдання вирішують за допомогою імпульсного перетворювача напруги. Тим часом суттєвий прогрес у галузі електронних компонентів дозволяє створювати малогабаритні блоки живлення, що працюють за так званим "трансформаторним" принципом, але не містять трансформатора. Відносна простота конструкції та доступність компонентів роблять їх привабливими і для радіоаматорів. При малих потужностях мережевого блоку живлення часто використовується безтрансформаторний варіант з конденсатором, що гасить [1]. Недолік такого блоку полягає в тому, що струм, що споживається від мережі, приблизно дорівнює вихідному і при збільшенні вихідної потужності стає дуже великим, хоча і носить в основному реактивний характер. У той самий час у трансформаторних блоках ці струми пов'язані коефіцієнтом трансформації. У зв'язку з цим актуальним, на наш погляд, є конденсаторний блок живлення, що працює за "трансформаторним" принципом. Вперше подібне технічне рішення запропонував Л. М. Браславський із Новосибірського електротехнічного інституту ще 1972 р., подавши заявку на винахід. Воно виявилося настільки оригінальним і неочевидним для фахівців, що ВНДІГПЕ проводив експертизу за заявкою цілих шість років і лише 1978 р. видав авторське свідоцтво. Пізніше були запатентовані інші рішення, що дозволяють реалізовувати конденсаторні блоки живлення з кількома вихідними напругами [2] та їх стабілізацію. Ці рішення мають багато спільного з пристроями, що використовують конденсатори, що перемикаються, досить популярними в зарубіжній схемотехніці [3]. Подальшим розвитком цього напряму нашій країні слід вважати перетворювач змінного струму на постійний зі зниженням напруги [4]. Спрощену схему такого пристрою зображено на рис. 1. Принцип його дії ось у чому. У початковий момент часу ланцюжок конденсаторів С1 - Сn (однакової ємності) пристрою розряджений. При позитивній напівхвилі напруги мережі діоди VD1, VD6-VD8 і VD2 відкриваються, а діоди VD3-VD5...VDn закриваються. При цьому всі конденсатори блоку виявляються послідовно включеними і заряджаються напругою мережі до його амплітудного значення. Причому напруга на кожному з N конденсаторів в силу рівності їх ємності в N разів менше амплітудної напруги мережі та еквівалентна ємність, підключена до мережі, також у N разів менше ємності одного конденсатора.
У другій половині позитивного напівперіоди діоди VD1, VD6-VD8 і VD2 закриваються і на конденсаторах зберігається накопичений ними електричний заряд. При негативному напівперіод закриваються діоди VD1 і VD2, в результаті чого конденсаторний блок виявляється відключеним від мережі. У цей момент до виходу блоку можливе підключення низьковольтного навантаження Rн шляхом замикання контактів перемикача електронного S1. Тепер діоди VD3-VDn, VD9-VD11 відкриваються і всі заряджені конденсатори виявляються підключеними до низьковольтного навантаження паралельно, що дозволяє отримувати від блоку середнє значення струму розрядки суттєво вище зарядного. Таким чином, блок здійснює зменшення напруги при одночасному збільшенні вихідного струму. Так як у першій половині напівперіоду відбувається накопичення енергії на конденсаторах, а в другій - її віддача, то робота конденсаторного блоку має явно виражений двотактний характер. Для згладжування пульсацій і збільшення середнього значення струму ємність фільтруючого конденсатора Сф повинна бути досить великою або застосований ще один такий самий конденсаторний блок, що працює на те ж навантаження, але в протифазі з першим. У цьому пристрої замикання контактів перемикача S1 відбувається з частотою мережі живлення, що істотно зменшує комутаційні втрати на них в порівнянні з імпульсними блоками живлення і, крім того, не пред'являє вимог до діодів по швидкодії. Проте вимоги щодо величини зворотної напруги залишаються. Так, наприклад, діоди VD1, VD2, VD3 - VDn і VD9 - VD11 повинні бути на зворотну напругу вище амплітудної напруги мережі і на середній струм у 2N разів менше вихідного струму. Всі інші діоди можуть бути на зворотну напругу N разів менше амплітудного мережевого. Недоліки пристрою – відсутність гальванічної розв'язки від мережі та висока робоча напруга транзистора, що виконує функцію електронного перемикача S1. Але можливість застосування малогабаритних низьковольтних оксидних конденсаторів і сучасних високовольтних транзисторів забезпечує порівнянність показників потужності конденсаторних блоків живлення з імпульсними блоками і робить перспективним використання їх для різноманітного застосування. На основі цих ідей сконструйовано повністю безтрансформаторний зарядний пристрій потужністю 150 Вт, маса якого не перевищує 1 кг. Воно дозволяє реалізувати "тренування" акумуляторів - режиму, при якому акумулятор протягом одного напівперіоду напруги заряджається, а потім розряджається меншим струмом на баластовий резистор. Описуваний конденсаторний перетворювач напруги призначений для зарядки автомобільних акумуляторних батарей ємністю до 70 Ач, тому максимальний середній вихідний струм пристрою повинен бути 7 А. Ця величина узгоджена з обмеженням змінної складової на рівні 20...30 % від номінальної напруги для оксидних конденсаторів. Принципова схема пристрою показано на рис. 2. Випрямний діод VD38, конденсатор С13 та стабілітрони VD39, VD40 формують напругу живлення вузла управління, що здійснює синхронізацію роботи комутувальних транзисторів VT2 і VT3 з полярністю напруги мережі та стабілізацію вихідного струму.
Працює пристрій в такий спосіб. При позитивній напівхвилі напруги мережі заряджаються блок конденсаторів С1 - С12 та накопичувальний конденсатор живлення С13. При негативній напівхвилі включається світлодіод оптрона U1, яке фототранзистор, відкриваючись, шунтує емітерний перехід транзистора VT1. Транзистор VT1 закривається і через резистор R5 підключає неінвертуючий вхід DA1 ОУ до виходу конденсаторного блоку. Сам ОУ при цьому перемикається і відкриває транзистори VT3, VT2 і світлодіод оптрона U2. ОУ DA1 працює в компараторному режимі, тому його вихідний сигнал може приймати лише два значення - близьке до напруги живлення та до нуля. Якщо напруга на його вході, що інвертує більше, ніж на неінвертуючому, вихідна напруга буде близьким до нуля і транзистор VT3 опиниться в закритому стані. В іншому випадку напруга на виході ОУ близько до напруги живлення, транзистор VT3 відкривається, а через резистор R10 - транзистор VT2 і U2 оптрон. Вхідним сигналом для стабілізації вихідного струму є напруга на конденсаторному блоці. Воно пов'язане з електричним зарядом відомими співвідношеннями: U=CQ та dU/dt=CdQ/dt=CI. Таким чином, зміна напруги на конденсаторному блоці (його зменшення) прямо пропорційно відданому в навантаження заряду, тому, стабілізуючи заряд, що віддається конденсаторним блоком, за час одиничного циклу розрядки, пристрій стабілізує вихідний струм. Його значення регулюють резистором R7. Після закриття транзистора VT1 напруга з конденсаторного блоку надходить на неінвертуючий вхід ОУ DA1 і порівнюється зі зразковим, що надходить на вхід, що інвертує, з дільника R6-R8. Коли напруга на конденсаторному блоці стає меншою за зразкову, ОУ DA1 перемикається в нульовий стан і закриває транзистор VT3, а через нього (і навантаження пристрою) - і фотодиністор оптрона U2. Якщо з будь-яких причин напруга на конденсаторному блоці не знизилася до зразкового (тобто в навантаження не пішов заряд, що визначається положенням движка резистора R7), а час, відведений на розрядку, закінчився, робота блоку для запобігання влученню напруги мережі на вихід пристрої організовано так. Напруга негативної напівхвилі мережі знижується до вимкнення світлодіода оптрона U1 і, отже, закриття його фототранзистора. Це призводить до відкривання транзистора VT1, шунтування ним неінвертуючого входу та перемикання компаратора DA1 і, як наслідок, закривання транзисторів VT3, VT2 ще до появи позитивної напівхвилі напруги. Таким чином відбувається примусова синхронізація вузла стабілізації струму з полярністю напруги мережі. Оптрон U2 необхідний лише як такий, що покращує безпеку і у вбудовуваних блоках живлення може бути відсутнім. Заряджання акумулятора триває порівняно довго і потребує певного контролю. Тому в пристрої передбачена можливість автоматичного відключення батареї, що заряджається, при напрузі на ній 14,2...14,4 В. Функцію порогового елемента відключення повністю зарядженої батареї виконує електромагнітне реле К1 (РЕМ10), що спрацьовує при напрузі близько 10,5 В. Реле підключено до вихідних затискачів Х2 і Х3 через дротяний підстроювальний резистор R11. Цей резистор разом з конденсатором С14 утворюють фільтр, що пригнічує змінну складову пульсуючої зарядної напруги, але пропускає постійну постійну складову напруги акумуляторної батареї. Тому при досягненні порогової напруги реле К1 спрацьовує і контактами, що розмикаються, К1.1 відключає живлення конденсаторного блоку і системи управління. Сама ж обмотка реле залишається під напругою батареї, що заряджається, і завдяки наявності гістерезису вимикається при зниженні напруги до 11,8 В. Після чого відбувається автоматична підзарядка батареї акумуляторів. Увімкнення-вимкнення режиму автоматичного закінчення зарядки здійснюють перемикачем SA2. Застосування реле серії РЭС10 обумовлено його малим струмом споживання і, отже, малим струмом розряджання батареї як припинення зарядки. Малопотужні контакти реле, що використовується, відображають і особливості описуваного пристрою, пов'язані з ємнісним характером навантаження. Тому розрив ланцюга живлення конденсаторного блоку відбувається без іскріння. Застосування двох мережних запобіжників (FU1, FU2) та двосекційного вимикача SA1 пов'язане з підвищеними вимогами електробезпеки через відсутність гальванічної розв'язки пристрою від мережі. Зовнішній вигляд і деякі конструктивні особливості зарядного безтрансформаторного пристрою ілюструє рис. 3. Корпус пристрою виконаний з двох П-подібних алюмінієвих пластин, з'єднаних гвинтами. На його лицьовій стінці розташовані індикатор включення в мережу (HL1), амперметр РА1 контролю зарядного струму та вихідні гнізда-затискачі Х2, Х3. Перемикачі SA1, SA2 (тумблери), підстроювальні резистори R7, R11 та мережні запобіжники знаходяться на задній стінці корпусу. Розміщення там підстроювальних резисторів обумовлено наявністю системи стабілізації струму зарядки, тому при експлуатації в гаражі потрібно лише одноразово виставити значення зарядного струму та порога спрацювання кінця зарядки перед початком експлуатації.
Оптрон U2 та потужний транзистор VT3 встановлені у верхній частині корпусу, що має вентиляційні отвори. Площа охолодження їх тепловідведення приблизно 20 см 2 . Тепловідведення кріплять до корпусу гвинтами з ізолюючими втулками та шайбами з пластмаси. Діодно-конденсаторний блок зібраний на друкованій платі з однобічно фольгованого склотекстоліту, яка укріплена на стійках усередині корпусу. На другій платі, розташованій під конденсаторним блоком, змонтовано всі деталі системи керування зарядним пристроєм. У конденсаторному блоці можливе застосування будь-яких оксидних конденсаторів, але бажано одного типу. У разі використання імпортних конденсаторів, габарити цього блоку можна істотно зменшити. Діоди блоку також можуть бути будь-якими, розрахованими на такий самий струм і зворотну напругу - підійдуть навіть діоди Д226Б і Д7Ж, але при цьому габарити блоку та його маса суттєво збільшаться. Оптрон ТО325-12,5-4 замінимо на ТО125-10 чи ТО125-12,5 не нижче 4-го класу. Замість КП706Б (VT3) можливе застосування аналогічних вітчизняних польових транзисторів або імпортного IGBT на такий струм і напруга, причому бажано з мінімальним опором каналу. При виборі електромагнітного реле (К1) необхідно враховувати, що паспортна номінальна напруга приблизно в 1,5 ... 1,7 рази вище напруги спрацьовування і що напруга спрацьовування може бути різним навіть для реле з однієї партії. Можливе застосування реле РЭС9, РЭС22, РЭС32 та інших, які мають досить малим споживаним струмом, на напругу спрацьовування не більше 8...12 У. При цьому, можливо, доведеться підібрати резистор R11 і конденсатор С14 з метою ефективного придушення змінної складової, запобігання " брязкоту" контактів реле і хибних спрацьовувань. Налагоджуйте пристрій лише за наявності запобіжників мережі. Перед першим увімкненням обов'язково перевірте правильність монтажу та з'єднань, оскільки помилки можуть призвести до виходу з ладу більшої частини деталей і навіть вибуху конденсаторів. У порядку страхування конденсаторний блок можна прикрити коробкою із щільного картону чи фанери. Правильно зібраний пристрій починає працювати одразу. Потрібно переважно лише добірка резисторів R6 і R8 для коригування діапазону регулювання струму зарядки. Для цього до виходу блоку підключіть розряджену батарею акумуляторів та підбіркою резисторів R6 та R8 встановіть по амперметру РА1 діапазон регулювання зарядного струму резистором R7. Якщо при початковому положенні двигуна резистора R7 струм буде відмінний від нуля, потрібно зменшити опір резистора R8. Якщо струм зарядки стає рівним нулю не в крайньому положенні двигуна R7, опір цього резистора слід збільшити. Далі двигун резистора R7 встановіть у кінцеве положення. Якщо тепер струм зарядки виявиться меншим за максимальний, опір резистора R6 доведеться зменшити, а якщо перевищує - збільшити. Після цього, встановивши перемикач SA2 у положення "Ручний режим", доведіть батарею до повної зарядки, контролюючи напругу на ньому постійного струму вольтметром. Потім від'єднайте пристрій від мережі, переведіть тумблер SA2 в режим "Авт.", а двигун резистора R11 - в положення максимального опору. Знову підключіть пристрій до мережі та зменшенням опору резистора R11 досягайте чіткого спрацювання реле К1 – пристрій готовий до експлуатації. При налагодженні та експлуатації зарядного пристрою слід пам'ятати про відсутність гальванічної розв'язки від мережі. Отже, підключати та відключати його від акумуляторної батареї можна лише при відключеній від мережі вилці шнура живлення. Описаний зарядний пристрій - один із конкретних прикладів використання конденсаторного перетворювача напруги. В інших випадках треба мати на увазі, що значення його вихідної напруги становить близько 12 В, а амплітудне - близько до 24 В. Тому для живлення електронних пристроїв доцільніше застосовувати два конденсаторні блоки, один з яких працює від позитивної, а другий - від негативної напівхвилі напруги. Виходи обох блоків повинні бути об'єднані і працювати на одне загальне навантаження. Самі блоки практично ідентичні. Відрізняються вони лише підключенням їх до токонесучих мережевих проводів: там, де перший блок підключений катодами діодів, другий - підключений анодами. Це дозволяє отримати більшу вихідну потужність при суттєвому зменшенні ємності конденсаторів, що фільтрують. Вихідна напруга описаного пристрою визначається кількістю конденсаторів в батареї і при нижчій напрузі може встановлюватися з досить малим кроком. Вихід описаного перетворювача формально може вважатися не пов'язаним з мережею, оскільки при одному напівперіод мережі закриті транзистор VT3 і оптрон U2, при іншому - діоди VD3 і VD4. Однак розраховувати на те, що дотик до вихідних клем безпечний, не можна. Будь-який зі згаданих вище елементів може вийти з ладу, це буде непомітно з точки зору функціонування перетворювача, але один із вихідних проводів з'єднуватиметься з мережею. Тому можна не встановлювати, наприклад, діод VD4 і оптрон U2 - пристрій нормально працюватиме і без них. Про стабілізацію вихідного струму. Вихідний струм вимикається в момент зменшення напруги на конденсаторному блоці до заданої резистором R7 величини, а початкова напруга на блоці пропорційна напруги мережі. Як показали автори, вихідний струм пропорційний різниці цих напруг, тому його стабілізація здійснюється лише за зміни навантаження. Коливання напруги мережі позначаються на вихідному струмі, причому відносна зміна вихідного струму приблизно вдвічі більша від відносної зміни напруги мережі. Запропонований авторами релейний пристрій для відключення перетворювача в момент закінчення зарядки акумулятора не може мати настільки вузький гістерезис за напругою, як вказується в статті, оскільки для реле РЕМ-10 струм відпускання приблизно в сім разів менше струму спрацьовування. Для отримання необхідної гістерези необхідно застосування реле з великим числом контактів. При спрацьовуванні воно має послідовно вводити з R11 додатковий змінний резистор, яким встановлюється напруга відпускання реле. література
Автор: Н.Козаков, О.Петров, м. Волгоград
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ У Каліфорнії заборонили пластикові соломинки
▪ розділ сайту Електрик у будинку. Добірка статей ▪ стаття Клод Адріан Гельвецький. Знамениті афоризми ▪ стаття Чому пробка плаває? Детальна відповідь ▪ стаття Фуркрея. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Дистанційне керування УКХ радіоприймачем. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Коментарі до статті: Олексій Не зрозумів одну річ, у схемі 12 конденсаторів на 2200 мф на 25 вольт, якщо ставити 2200 мф на 35 вольт, то 10 шт. А якщо на 50 вольт можна обмежитися і 8-ма? Я правильно розумію?
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page