Электрик - электричество и энергетика

Эта статья опубликована на сайте Электрик - электричество и энергетика
  http://electrik.org/

URL этой статьи:
  http://electrik.org/news/article125.php

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Статьи / Разное, не вошедшее в другие темы.
Послано electrik 18 Апр, 2004 г. - 20:36

В. ПОЛЯКОВ, г. Москва
В радиолюбительской практике иногда требуется получить из одного постоянного напряжения другое. Например, обеспечить питание радио¬приемника, плейера напряжением 3 В от 12-вольтовой аккумуляторной батареи, подать постоянное напряжение 300...400 В на счетчик в быто¬вом дозиметре, работающем от "Кроны", либо получить переменное напряжение 127...220 В для питания электробритвы в автомобиле. Если в первом примере можно решить проблему с помощью гасящих резисторов или делителей напряжения, то в остальных случаях понадобится преобразователь напряжения.

Преобразователи напряжения выполняют по схеме, приведенной на рис. 1. Входное напряжение Uвх питает генератор, вырабатывающий переменное напряжение, чаще всего прямоугольной формы, или импульсное. Затем следует трансформатор, повышающий напряжение до необходимой величины. В преобразователе, скажем, для электробритвы, этим все и заканчивается, но если нужно постоянное выходное напряжение Uвых, то устанавливают выпрямитель. Часть выпрямленного напряжения может использоваться для управления параметрами генератора, а значит, стабилизации работы преобразователя.
Различных типов преобразователей очень много, но всегда стремятся получить максимальный КПД, чтобы не расходовать зря энергию питающих батарей или аккумуляторов.
Преобразователи постоянного напряжения в постоянное (DC-DC конвертеры).
Первые преобразователи напряжения появились задолго до широкого внедрения полупроводников, еще в эпоху ламповой техники. Если нить накала лампы можно было питать от аккумулятора напряжением 2... 12 В, то для питания анодных цепей требовалось высокое (60...300 В) постоянное напряжение. Вместо дорогих и громоздких анодных батарей часто использовали механические преобразователи напряжения. Их было два вида: умформер, представляющий собой связанные одним валом электромотор и генератор, и вибропреобраэователь -



относительно маломощное устройство с вибрирующим якорем, на котором закреплялись контакты, переключавшие полярность входного постоянного напряжения и превращавшие его в переменное.
Недостатки вибропреобразователя очевидны - быстрый механический износ контактов, искрение и громкий звук, издаваемый при работе. Как только появились транзисторы достаточной мощности, на них стали строить генераторы, отказавшись от применения вибропреобразователей. Важно отметить, что на идеальных контактах никакой мощности не рассеивается: при замкнутых контактах ток через них протекает, но напряжение на контактах равно нулю. Когда же контакты разомкнуты, ток через них равен нулю.
Желательно, чтобы и транзисторы работали в таком же режиме, который называется ключевым. Транзистор должен быстро открываться до насыщения и также быстро и полностью закрываться. Тогда рассеиваемая на нем мощность будет небольшой, а КПД всего преобразователя - максимальным. "Классический" двухтактный автогенераторный преобразователь.
Один из лучших вариантов его схемы (рис. 2) позволяет соединить коллекторы транзисторов с общим проводом, т. е. устанавливать транзисторы на шасси без изоляции, чтобы оно и служило радиатором (вывод коллектора большинства мощных транзисторов соединен с корпусом).



Плюсовое напряжение низковольтного источника подается на эмиттеры транзисторов через секции Iа и IЬ симметричной первичной обмотки. Для возбуждения колебаний служат дополнительные секции обратной связи IС и ld, через которые протекает только относительно небольшой базовый ток транзисторов.
Делители напряжения R1R2 и R3R4 подают на базы транзисторов небольшое начальное смещение, обеспечивающее "запуск" преобразователя. Конденсаторы С1 и С2 ускоряют процесс переключения, повышая КПД преобразователя. Любопытно, что после запуска резисторы R1 и R3 можно отключить - преобразователь продолжит работу и даже несколько возрастет КПД. В некоторых конструкциях делают специальную кнопку запуска, подключающую один из резисторов только при "старте". Преобразователь с кнопкой не боится коротких замыканий на выходе: колебания срываются, и ток через транзисторы не протекает, поскольку нет напряжения смещения.
Легко видеть, что каждое плечо преобразователя является автогенератором, собранным по схеме индуктивной трехточки. Действительно, переменное напряжение с верхнего (по схеме) вывода секции I приложено к базе транзистора VT1 и повторяется (с коэффициентом передачи чуть меньше единицы) на эмиттере. Затем оно увеличивается автотрансформатором, образованным секциями la и lc. Коэффициент передачи по петле обратной связи оказывается больше единицы, что и требуется для возбуждения колебаний. Аналогично работает и нижнее плечо с транзистором VT2.
Работу преобразователя можно пояснить и по-другому. После включения питания через транзисторы начинает протекать ток. Пусть, в силу случайных причин, через транзистор VT1 он окажется немного больше. Тогда из-за индуктивного сопротивления секции Ia напряжение на эмиттере упадет, а на базе упадет еще больше, поскольку к ней приложено еще и напряжение с секции lc. Напряжение на базе окажется минусовым по отношению к эмиттеру, и транзистор откроется еще сильнее. Лавинообразное падение напряжения на эмиттере приведет к полному открыванию (насыщению) транзистора VT1 и к полному закрыванию транзистора VT2, поскольку к его базе будет приложено плюсовое напряжение относительно эмиттера, индуцированное в секции ld.
Такое состояние будет продолжаться, формируя плоскую вершину импульса, пока нарастающий ток через секцию la не введет магнитопро-вод трансформатора в насыщение. Тогда наведенные в секциях ЭДС резко уменьшатся, транзистор VT1 выйдет из насыщения a VT2, напротив откроется. Возникший лавинообразный процесс переключения приведет к полному закрыванию транзистора VT1 и насыщению VT2, при этом будет формироваться вторая полуволна прямоугольного напряжения.
Повышенное напряжение с обмотки II трансформатора выпрямляется мостом из диодов VD1-VD4 и сглаживается конденсатором СЗ. При указанных на рис. 2 номиналах элементов преобразователь развивает мощность около 20 Вт. Транзисторы П217 (с любым индексом) можно заменить более современными КТ814, увеличив сопротивления резисторов R2 и R4 до 51-68 Ом.
Трансформатор Т1 намотан на двух сложенных вместе кольцах К31х18х7 из феррита 2000 НМ. Секции la и Iь первичной обмотки содержат по 23 витка провода ПЭЛ 0.8, lc и ld - по 4 витка ПЭЛ 0,44. Обмотка II имеет 560 витков провода ПЭЛШО 0,25. Частота генерации получилась около 4 кГц, ток, потребляемый преобразователем на холостом ходу, не превосходит 0,25 А.



Преобразователь без трансформатора.
Если напряжение надо повысить всего в 2...3 раза, можно обойтись без трансформатора, используя умножитель напряжения (рис. 3). Он особенно удобен, если в устройстве уже есть генератор симметричных прямоугольных колебаний ("меандра"). Эти колебания с размахом от 0 до UBX подают на базы двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах VT1, VT2. Транзисторы должны обеспечивать ток, превышающий ток нагрузки преобразователя во столько раз, во сколько необходимо умножить напряжение.



Выходное прямоугольное напряжение подается на умножитель, включенный последовательно с источником питания. Работает он так: когда напряжение на эмиттерах транзисторов падает до нуля, конденсатор С2 заряжается через диод VD1 до напряжения UBX. В следующий полупериод напряжение на эмиттерах возрастает примерно до Uвх а на правой по схеме обкладке С2 - до 2UBX. Через диод VD2 оно заряжает конденсатор СЗ и передается на первый выход преобразователя.
После первых двух диодов умножителя получается удвоенное напряжение питания 2UBX (удобно использовать для получения напряжения 24 В при 12-вольтовом питании). Каскадов умножения может быть и больше. Емкость конденсаторов С1, С2 и т. д. зависит от частоты и тока нагрузки, она должна быть такой, чтобы не наблюдалось заметного спада вершин прямоугольных импульсов.
Маломощные высоковольтные преобразователи.
Высокое напряжение необходимо для питания счетчиков радиационных излучений, различных ионизаторов воздуха и пылеуловителей, анодов ЭЛТ в осциллографах. Потребляемые токи обычно невелики, а поэтому преобразователь будет маломощным. В генераторе такого преобразователя (рис. 4,а) целесообразно использовать блокинг-генератор.



Как он работает? Ток смещения, протекающий через резистор R1 в базу транзистора VT1, приоткрывает транзистор. Через обмотку I протекает нарастающий ток и индуцирует в обмотке обратной связи II ЭДС, приложенную через конденсатор С1 "плюсом" к базе. Транзистор лавинообразно открывается, напряжение на его коллекторе падает почти до нуля, а ток через обмотку I продолжает нарастать до тех пор, пока либо не насытится сердечник трансформатора, либо не зарядится полностью конденсатор С1. Тогда положительное напряжение обратной связи на базе транзистора понизится, уменьшая коллекторный ток. и возникнет лавинообразный процесс закрывания транзистора, приводящий к резкой отсечке коллекторного тока. На коллекторе сформируется положительный импульс напряжения (рис. 4,б), превосходящий иногда в десятки раз напряжение питания UBX. На повышающей обмотке трансформатора III этот импульс будет еще больше, и его остается только выпрямить диодом VD1.
В этом устройстве надо использовать транзисторы с достаточно высоким допустимым коллекторным напряжением. Для защиты транзистора от случайного пробоя (например, при отключении нагрузки) параллельно первичной обмотке подключают стабилитрон, а можно даже неоновую лампу-она ограничит амплитуду импульса на уровне напряжения зажигания (60...80 В). Длительность импульса блокинг-генератора регулируют подбором конденсатора С1, а частоту повторения - подбором резистора R1.
На рис. 4 в качестве примера приведены данные преобразователя для питания варикапов настройки УКВ приемника. Трансформатор Т1 намотан на фер-ритовом кольцевом магнитопроводе К 10x6x4 с магнитной проницаемостью 1000 - 2000. Обмотки I, II и III содержат 12, 3 и 60 витков любого тонкого изолированного провода. От источника напряжением 6 В преобразователь потребляет ток всего 0,5 мА, развивая на выходе напряжение до 40 В при токе порядка 5 мкА. Длительность импульсов составляет около 2 мкс, частота повторения- 12,5 кГц.
Преобразователи постоянного напряжения в переменное (DC-AC конвертеры).
Обычно требуется переменное напряжение вполне определенной частоты и формы. Однако для питания в автомобиле, скажем, электробритвы с коллекторным электродвигателем частота некритична, подойдет напряжение прямоугольной формы амплитудой 110...220 В. Требования к частоте и форме выходного напряжения преобразователя для питания небольшого телевизора, или в другом ответственном случае, гораздо жестче. Стараются выдержать стандартную сетевую частоту 50 Гц и получить выходное напряжение синусоидальной формы. Если заставить выходные транзисторы преобразователя усиливать или генерировать синусоидальный сигнал, КПД не превысит 60...70 %, как в двухтактных УМЗЧ класса В. Часто идут другим путем - уменьшают длительность импульсов обеих полярностей в двухтактном ключевом преобразователе, как показано на рис. 5.
Здесь не обойтись без задающего генератора, вырабатывающего на двух выходах последовательности импульсов с частотой 50 Гц и со скважностью (отношением периода к длительности) более 2. Сконструировать такой генератор на современных цифровых микросхемах не составляет особой сложности. Итак, транзисторы VT1 и VT2 открываются поочередно, причем один - через некоторое время после того, как закроется другой. В момент закрывания транзистора VT1 на его коллекторе формируется положительный выброс напряжения, как в блокинг-генераторе. Этот ненужный в данном случае выброс "срезает" диод VD2 - на его катоде выброс, инвертированный первичной обмоткой трансформатора, имеет отрицательную полярность и открывает диод. Происходит "переброс тока" из верхней (по схеме) половины первичной обмотки в нижнюю, и ток плавно спадает, протекая по цепи: общий провод - диод VD2 - половина первичной обмотки - шина +Uвх. После спадания тока открывается транзистор VT2, и ток в обмотке течет в другую сторону. Выброс напряжения при закрывании VT2 аналогичным образом "срезает" диод VD1.
Хотя полученная на вторичной обмотке ступенчатая форма напряжения - довольно "корявое" приближение к синусоиде, большинство сетевых приборов ее вполне допускает. Более "гладкую" форму напряжения получают включением между вторичной обмоткой и нагрузкой LC-фильтра нижних частот, допускающего соответствующие нагрузке мощности и токи.
Конкретных данных этого преобразователя мы не приводим, поскольку они зависят от мощности нагрузки Pвых.. Входная мощность Рвх = Uвх*Iвх будет, с учетом КПД, на 10—30 % больше. Транзисторы и диоды выбирают с предельно допустимым током и напряжением не менее 2 — 2,5 IBX и Uвх соответственно. Задающий генератор должен отдавать ток, достаточный для насыщения транзисторов. В качестве Т1 допустимо использовать подходящий по мощности и напряжениям обмоток силовой трансформатор от сетевых блоков питания.

С вопросами можете обращаться по почте info@electrik.org [1] или посетив мой сайт: electrik.org [2].
Всего хорошего.

2004 г. Кузнецов Олег



Ссылки в этой статье
  [1] info@electrik.org
  [2] http://electrik.org

   Rambler's Top100      
Электрик © 2002-2008 Oleg Kuznetsov