Pretvarač izmjeničnog u niskoistosmjerni napon bez transformatora. Povećanje izmjeničnog i istosmjernog napona bez transformatorskih pretvarača, sklop, projektiranje

Ovdje će se raspravljati pretvarači napona bez transformatora, koji se obično sastoji od kvadratnog generatora impulsa i množitelja napona.

Obično je na ovaj način moguće povećati napon ne više od nekoliko puta bez primjetnih gubitaka, a također dobiti napon različitog predznaka na izlazu pretvarača. Struja opterećenja takvih pretvarača je izuzetno mala - obično jedinice, rjeđe deseci mA.

Glavni oscilator

Glavni oscilator beztransformatorskih pretvarača napona može se izraditi prema standardnoj shemi, čiji je osnovni element 1 (slika 1) izrađen na osnovi simetričnog multivibratora.

Kao primjer, elementi bloka mogu imati sljedeće parametre: R1=R4=1 kOhm; R2=R3=10 kOhm C1=C2=0,01 µF. Tranzistori su male snage, na primjer, KT315. Za povećanje snage izlaznog signala korišten je standardni blok pojačala 2.

Riža. 1. Sheme osnovnih elemenata pretvarača bez transformatora: 1 - glavni oscilator; 2 - tipični blok pojačala.

Pretvarač napona bez transformatora

Pretvarač napona bez transformatora sastoji se od dva tipična elementa (slika 2): glavnog oscilatora 1 i potisne sklopke pojačala 2, kao i množitelja napona (slika 2).

Pretvarač radi na frekvenciji od 400 Hz i daje napon napajanja 12,5 V izlazni napon 22V pri struji opterećenja do 100 mA(parametri elemenata: R1=R4=390 Ohm. R2-R3=5,6 kOhm, C1=C2=0,47 µF). Blok 1 koristi tranzistore KT603A - b; u bloku 2 - GT402V(G) i GT404V(G).

Riža. 2. Shema pretvarača bez transformatora s udvostručenjem napona.

Riža. 3. Sklopovi naponskih pretvarača na bazi standardne jedinice.

Pretvarač napona izgrađen na temelju gore opisanog standardnog bloka (slika 1) može se koristiti za dobivanje izlazni naponi različitog polariteta kako je prikazano na sl. 3.

Za prvu opciju, na izlazu se stvaraju naponi od +10 V i -10 V; za drugi - +20 V i -10 V kada se uređaj napaja iz izvora od 12 V.

Strujni krug pretvarača za napajanje tiratrona od 90 V

Za napajanje tiratrona s naponom od približno 90 V, krug pretvarača napona prema Sl. 4 s glavnim oscilatorom 1 i parametrima elementa: R1=R4=-1 kOhm, R2=R3=10 kOhm, C1=C2=0,01 μF.

Ovdje se mogu koristiti široko dostupni tranzistori male snage. Multiplikator ima faktor množenja 12 i uz raspoloživi napon napajanja očekivao bi se izlaz od približno 200 V, ali u stvarnosti zbog gubitaka taj napon iznosi samo 90 V, a njegova vrijednost brzo pada s povećanjem struje opterećenja.

Riža. 4. Strujni krug pretvarača napona s višestupanjskim množiteljem.

Pretvarač polariteta napona od (+) do (-)

Za dobivanje obrnutog izlaznog napona također se može koristiti pretvarač temeljen na standardnoj jedinici (slika 1). Na izlazu uređaja (slika 5) stvara se napon suprotnog predznaka od napona napajanja.

Riža. 5. Strujni krug pretvarača napona.

U apsolutnoj vrijednosti taj je napon nešto niži od napona napajanja, što je posljedica pada napona (gubljenja napona) na poluvodičkim elementima. Što je niži napon napajanja kruga i veća struja opterećenja, to je ta razlika veća.

Pretvarač napona (duplar)

Pretvarač napona (udvostručivač) (slika 6) sadrži glavni oscilator 1 (1 na slici 1.1), dva pojačala 2 (2 na slici 1.1) i mosni ispravljač (VD1 - VD4).

Riža. 6. Krug udvostručitelja napona velike snage.

Blok 1: R1 =R4=100 Ohm; R2=R3=10 kOhm; C1=C2=0,015 µF, tranzistori KT315.

Poznato je da je snaga koja se prenosi iz primarnog kruga u sekundarni proporcionalna radnoj frekvenciji pretvorbe, stoga, istodobno s njegovim povećanjem, smanjuje se kapacitet kondenzatora, a time i dimenzije i cijena uređaja.

Ovaj pretvarač daje izlazni napon 12V(u praznom hodu). S otporom opterećenja od 100 Ohma, izlazni napon pada na 11 V; na 50 Ohma - do 10 V; i na 10 Ohma - do 7 V.

Bipolarni pretvarač srednje točke

Pretvarač napona (slika 7) omogućuje vam da dobijete dva suprotna pola napona sa zajedničkom središnjom točkom na izlazu. Takvi se naponi često koriste za napajanje operacijskih pojačala. Izlazni naponi su po apsolutnoj vrijednosti blizu napona napajanja uređaja i kada se njegova vrijednost promijeni, mijenjaju se istovremeno.

Riža. 7. Pretvarački sklop za dobivanje multipolarnih izlaznih napona.

Tranzistor VT1 - KT315, diode VD1 i VD2 - D226.

Blok 1: R1=R4=1,2 kOhm; R2=R3=22 kOhm; C1=C2=0,022 µF, tranzistori KT315.

Blok 2: tranzistori GT402, GT404.

Izlazna impedancija duplera je 10 ohma. U stanju mirovanja ukupni izlazni napon na kondenzatorima C1 i C2 je 19,25 V uz potrošnju struje od 33 mA. Kako se struja opterećenja povećava sa 100 na 200 mA, ovaj napon se smanjuje sa 18,25 na 17,25 V.

Pretvarači-invertori s glavnim oscilatorom na bazi CMOS elemenata

Glavni oscilator pretvarača napona (slika 8) sastoji se od dva CMOS elementa. Na njegov izlaz spojen je stupanj pojačanja na tranzistorima VT1 i VT2. Invertirani napon na izlazu uređaja, uzimajući u obzir gubitke pretvorbe, nekoliko je posto (ili desetaka posto - s niskonaponskim napajanjem) manji od ulaza.

Riža. 8. Strujni krug naponskog pretvarača-invertora s glavnim oscilatorom na bazi CMOS elemenata.

Sličan sklop pretvarača prikazan je na sljedećoj slici (slika 9). Pretvarač sadrži glavni oscilator na CMOS čipu, stupanj pojačanja na tranzistorima VT1 i VT2, krugove za udvostručenje izlaznog impulsnog napona, filtere kondenzatora i krug za formiranje umjetne središnje točke na temelju para zener dioda.

Na izlazu pretvarača generiraju se sljedeći naponi: +15 V pri struji opterećenja od 13... 15 mA i -15 V pri struji opterećenja od 5 mA.

Riža. 9. Sklop pretvarača napona za generiranje multipolarnih napona s glavnim oscilatorom na bazi CMOS elemenata.

Na sl. Slika 10 prikazuje dijagram izlaznog čvora pretvarača napona bez transformatora.

Riža. 10. Shema izlaznog stupnja pretvarača napona bez transformatora.

Ovaj čvor je zapravo pojačalo snage. Da biste ga kontrolirali, možete koristiti generator impulsa koji radi na frekvenciji od 10 kHz.

Bez opterećenja, pretvarač s takvim pojačalom snage troši struju od oko 5 mA. Izlazni napon se približava 18 V (dvostruki napon napajanja). Uz struju opterećenja od 120 mA, izlazni napon se smanjuje na 16 b s razinom valovitosti od 20 mV. Učinkovitost uređaja je oko 85%, izlazna impedancija je oko 10 Ohma.

Kada jedinica radi iz glavnog oscilatora pomoću CMOS elemenata, ugradnja otpornika R1 i R2 nije potrebna, ali za ograničavanje izlazne struje mikro kruga, preporučljivo je spojiti njegov izlaz na tranzistorsko pojačalo snage preko otpornika s otporom od nekoliko kOhma.

Pretvarač napona za kontrolu varikapa

Jednostavan krug pretvarača napona za kontrolu varikapa reproduciran je mnogo puta u raznim časopisima. Pretvarač proizvodi 20 V kada se napaja iz 9 b, a takav je krug prikazan na sl. jedanaest.

Generator impulsa blizak pravokutnom sastavljen je na tranzistorima VT1 i VT2. Diode VD1 - VD4 i kondenzatori C2 - C5 tvore multiplikator napona, a otpornik R5 i zener diode VD5, VD6 tvore parametarski stabilizator napona.

Riža. 11. Dijagram pretvarača napona za varikape.

Pretvarač napona na CMOS čipu

Riža. 12. Strujni krug pretvarača napona na CMOS čipu.

Jednostavan pretvarač napona na samo jednom CMOS čip s minimalnim brojem visećih elemenata mogu se sastaviti prema dijagramu na sl. 12.

Glavni parametri pretvarača pri različitim naponima napajanja i strujama opterećenja dati su u tablici 1.

Tablica 1. Parametri pretvarača napona (Sl. 12):

Bipolarni pretvarač

Riža. 13. Dijagram izlaznog stupnja bipolarnog pokretača napona.

Za pretvaranje napona jedne razine u bipolarni izlazni napon može se koristiti pretvarač s izlaznim stupnjem prema shemi na sl. 13.

Uz ulazni napon pretvarača od 5V, izlazni napon je +8V i -8V pri struji opterećenja od 30 mA. Učinkovitost pretvarača bila je 75%. Vrijednost učinkovitosti i izlazni napon mogu se povećati upotrebom Schottky dioda u ispravljaču s množiteljem napona. Kada se napon napajanja poveća na 9 V, izlazni napon se povećava na 15 V.

Približan analog tranzistora 2N5447 je KT345B; 2N5449 - KT340B. Također možete koristiti uobičajenije elemente u krugu, na primjer, tranzistore kao što su KT315, KT361.

Za krugove pretvarača napona izgrađene na principu množitelja impulsnog napona, može se koristiti širok izbor pravokutnih generatora signala.

Takvi se generatori često grade na mikro krugu KR1006VI1 (slika 14). Izlazna struja ovog mikro kruga je prilično velika (100 mA) i često je moguće bez dodatnih stupnjeva pojačanja.

Generator na DA1 čipu (KR1006VI1) proizvodi pravokutne impulse, čija je brzina ponavljanja određena elementima R1, R2, C2. Ovi impulsi s pina 3 mikro kruga dovode se do množitelja napona.

Otporni razdjelnik R3, R4 spojen je na izlaz množitelja napona, čiji se napon dovodi na ulaz "resetiranja" (pin 4) mikro kruga DA1.

Parametri ovog razdjelnika su odabrani na način da ako izlazni napon u apsolutnoj vrijednosti premaši ulazni napon (napon napajanja), proizvodnja prestaje. Točna vrijednost izlaznog napona može se podesiti odabirom otpora otpornika R3 i R4.

Riža. 14. Dijagram naponskog pretvarača-invertora s glavnim oscilatorom na mikrokrugu KR1006VI1.

Karakteristike pretvarača - izmjenjivača napona (slika 14) dane su u tablici. 2.

Tablica 2. Karakteristike naponskog pretvarača-izmjenjivača (slika 14).

Snažni pretvarač-inverter na mikro krugu KR1006VI1

Sljedeća slika prikazuje još jedan krug pretvarača napona koji se temelji na mikrokrugu KR1006VI1 (slika 15). Radna frekvencija glavnog oscilatora je 8 kHz.

Na njegovom izlazu nalazi se tranzistorsko pojačalo i ispravljač sastavljeni prema krugu za udvostručenje napona. Uz napon napajanja od 12 b, izlaz pretvarača je 20 V. Gubici pretvarača nastaju zbog pada napona na diodama ispravljača udvostručitelja napona.

Riža. 15. Dijagram pretvarača napona s mikro krugom KR1006VI1 i pojačalom snage.

Pretvarač polariteta napona na mikro krugu KR1006VI1

Na temelju istog mikro kruga (slika 16) može se stvoriti pretvarač napona. Radna frekvencija pretvorbe je 18 kHz, radni ciklus je 1,2.

Riža. 16. Pogonski krug napona negativnog polariteta.

Pretvarač-inverter napona baziran na TTL čipovima

Kao i kod drugih sličnih uređaja, izlazni napon pretvarača značajno ovisi o struji opterećenja.

TTL i CMOS čipovi mogu se koristiti za ispravljanje struje. Razvijajući temu, autor ove ideje, D. Cuthbert, predložio je naponski pretvarač-inverter bez transformatora koji se temelji na TTL mikrosklopovima (slika 7).

Riža. 17. Krug pretvarača napona koji se temelji na dva mikro kruga.

Uređaj sadrži dva mikro kruga: DD1 i DD2. Prvi od njih radi kao kvadratni generator impulsa frekvencije 7 kHz (elementi DD1.1 i DD1.2), na čiji je izlaz spojen pretvarač DD1.3 - DD1.6.

Drugi mikro krug (DD2) povezan je na neobičan način (vidi dijagram): obavlja funkciju dioda. Svi njegovi inverterski elementi povezani su paralelno kako bi se povećala nosivost pretvarača.

Kao rezultat ovog uključivanja, na izlazu uređaja dobiva se obrnuti napon -U, približno jednak (u apsolutnoj vrijednosti) naponu napajanja. Napon napajanja uređaja s 74NS04 CMOS čipom može biti od 2 do 7 V. Približan domaći analog je TTL čip tipa K555LN1 (radi u užem rasponu napona napajanja) ili CMOS čip KR1564LN1.

Maksimalna izlazna struja pretvarač dosegne 10 mA. Kada je opterećenje isključeno, uređaj praktički ne troši struju.

Pretvarač napona na čipu K561LA7

U razvoju gore razmotrene ideje korištenja zaštitnih dioda CMOS mikro krugova dostupnih na ulazima i izlazima CMOS elemenata, razmotrimo rad pretvarača napona napravljenog na dva mikro kruga DD1 i DD2 tipa K561LA7 (slika 18).

Prvi od njih sastavlja generator koji radi na frekvenciji od 60 kHz. Drugi čip obavlja funkciju visokofrekventnog ispravljača mosta.

Riža. 18. Shema točnog pretvarača polariteta pomoću dva mikro kruga K561LA7.

Tijekom rada pretvarača na izlazu se formira napon negativnog polariteta, koji s velikom točnošću, s opterećenjem visokog otpora, ponavlja napon napajanja u cijelom rasponu vrijednosti nazivnog napona napajanja (od 3 do 15 V ).

Mnogim početnicima radio amaterima teško je odrediti vrstu napajanja, ali to nije tako teško. Glavne metode pretvorbe napona su korištenje jedne od dvije opcije dizajna kruga:

Transformator;

Napajanja bez transformatora.

S druge strane, transformatorski se razlikuju prema vrsti kruga:

Mreža, s transformatorom koji radi na frekvenciji od 50 Hz;

Pulse, s transformatorom koji radi na visokim frekvencijama (desetke tisuća Hz).

Preklopni krugovi napajanja omogućuju povećanje ukupne učinkovitosti konačnog proizvoda izbjegavanjem statičkih gubitaka na linearnim stabilizatorima i drugim elementima.

Krugovi bez transformatora

Ako postoji potreba za napajanjem iz kućnog napajanja od 220 V, najjednostavniji uređaji mogu se uključiti iz izvora napajanja koji koriste balastne elemente za smanjenje napona. Dobro poznati primjer takvog napajanja je krug balastnog kondenzatora.

Međutim, postoje brojni pogonski programi s ugrađenim prekidačem napajanja za izradu impulsnog pretvarača snižavanja bez transformatora; oni se vrlo često nalaze u drugoj opremi.

U slučaju napajanja iz izvora istosmjerne struje, na primjer, baterije ili druge galvanske baterije, koristite:

Linearni stabilizator napona (integrirani stabilizator tipa KREN ili L78xx sa ili bez prolaznog tranzistora, parametarski stabilizator zener diode i tranzistora)

Pulsni pretvarač (buck - BUCK, boost - BOOST ili buck-boost - BUCK-BOOST)

Prednosti napajanja i pretvarača bez transformatora su sljedeće:

Nema potrebe za navijanjem transformatora, transformacija se provodi pomoću induktora i ključeva;

Posljedica prethodnog su male dimenzije napajanja.

Mane:

Odsutnost galvanske izolacije, u slučaju neispravnosti tipki, dovodi do pojave napona iz primarnog izvora napajanja. Ovo je posebno važno ako njegovu ulogu igra mreža od 220 V;

Opasnost od strujnog udara zbog galvanskog spoja;

Velike dimenzije induktora na pretvaračima velike snage dovode u pitanje izvedivost korištenja ove topologije napajanja. Uz usporedive parametre težine i veličine, moguće je koristiti transformator, galvanski izolirani pretvarač.

U domaćoj literaturi često se sreće skraćenica “IPPN” koja označava: Pulse Buck (ili Boost, ili oboje) pretvarač napona

Kao osnova, mogu se razlikovati tri osnovne sheme.

1. IPPN1 - Step-down pretvarač, u engleskoj literaturi - BUCK DC CONVERTER ili Step-down.

2. IPPN2 - Boost converter, u engleskoj literaturi - BOOST DC CONVERTER ili Step-up.

3. IPPN3 - Invertirajući pretvarač s mogućnošću povećanja i smanjenja napona, BUCK-BOOST DC KONVERTER.

Kako radi preklopni pretvarač dolara?

Počnimo s razmatranjem principa rada prvog kruga - IPPN1.

U krugu se mogu razlikovati dva kruga napajanja:

1. “+” iz izvora napajanja dovodi se preko privatne sklopke (tranzistor bilo koje vrste odgovarajuće vodljivosti) na Ln (skladišni induktor), zatim struja teče kroz opterećenje do izvora napajanja “-”.

2. Drugi krug se sastoji od D, induktora Ln i priključenog opterećenja Rn.

Kada je sklopka zatvorena, struja teče kroz prvi krug, struja teče kroz induktor, a energija se nakuplja u njegovom magnetskom polju. Kada isključimo (otvorimo) sklopku, energija pohranjena u zavojnici se rasipa u trošilo, dok struja teče kroz drugi krug.

Napon na izlazu (opterećenju) takvog pretvarača jednak je

Uout=Uin*Ku

Ku je koeficijent pretvorbe, koji ovisi o radnom ciklusu upravljačkih impulsa sklopke snage.

Ku=Uout/Uin

Faktor rada "D" je omjer vremena kada je prekidač otvoren i PWM perioda. "D" može imati vrijednosti od 0 do 1.

VAŽNO: Za IPPI1 Ku=D. To znači da su kontrolne granice ovog stabilizatora približno jednake 0…Uout.

Napon na izlazu takvog pretvarača sličan je polaritetu naponu na ulazu.

Kako radi sklopni pretvarač pojačanog napona?

IPPN2 - sposoban je povećati napon s napona napajanja na desetke puta veću vrijednost. Shematski se sastoji od istih elemenata kao i prethodni.

Svaki pretvarač ove vrste sadrži tri glavna aktivna sastojka:

Upravljani prekidač (bipolarni, polje, );

Nekontrolirana sklopka (ispravljačka dioda);

Kumulativni induktivitet.

Struja uvijek teče kroz induktivitet, mijenja se samo njezina veličina.

Da biste razumjeli princip rada ovog pretvarača, morate se sjetiti zakona sklopke za induktor: "Struja kroz induktor ne može se promijeniti trenutno."

To je uzrokovano fenomenom koji se naziva samoinducirana emf ili protu-emf. Budući da elektromagnetsko polje induktiviteta sprječava nagle promjene struje, svitak se može smatrati izvorom energije. Zatim u ovom krugu, kada je ključ zatvoren, velika struja počinje teći kroz zavojnicu, ali, kao što je već spomenuto, ne može se naglo povećati.

Povratni EMF je pojava kada se EMF pojavljuje na krajevima svitka nasuprot onog koji se primjenjuje. Ako to prikažete na dijagramu radi jasnoće, morat ćete zamisliti induktor kao izvor EMF-a.

Broj "1" označava stanje strujnog kruga kada je ključ zatvoren. Imajte na umu da su izvor napajanja i simbol EMF zavojnice povezani pozitivnim terminalima u seriju, tj. njihove EMF vrijednosti se oduzimaju. U ovom slučaju induktivnost sprječava prolaz električne struje, odnosno usporava njen rast. Kako raste, nakon određenog intervala vremenske konstante, vrijednost povratne EMF se smanjuje, a struja kroz induktivitet raste.

Lirska digresija:

Veličina samoinducirane emf, kao i bilo koje druge emf, mjeri se u voltima.

U tom vremenskom razdoblju glavna struja teče kroz krug: izvor napajanja-induktivitet-zatvorena sklopka.

Kada se sklopka SA otvori, strujni krug 2. počinje teći sljedećim krugom: izvor napajanja-induktivitet-dioda-opterećenje. Budući da je otpor opterećenja često mnogo veći od otpora kanala zatvorenog tranzistora. U ovom slučaju, opet, struja koja teče kroz induktivitet ne može se naglo promijeniti, induktivitet uvijek nastoji održati smjer i veličinu struje, tako da se povratni EMF ponovno pojavljuje, ali u obrnutom polaritetu.

Obratite pozornost na to kako su spojeni polovi izvora napajanja i izvora EMF koji zamjenjuje zavojnicu u drugom dijagramu. Spojeni su u seriju sa suprotnim polovima, a veličine tih EMF-a se zbrajaju.

To rezultira povećanjem napona.

Tijekom procesa induktivne pohrane energije, opterećenje se opskrbljuje energijom koja je prethodno bila pohranjena u kondenzatoru za izravnavanje.

Faktor pretvorbe u IPPN2 jednak je

Kao što se može vidjeti iz formule, što je veći D radni ciklus, to je veći izlazni napon. Polaritet izlazne snage podudara se s ulazom za ovaj tip pretvarača.

Kako radi invertirajući pretvarač napona?

Invertirajući pretvarač napona je prilično zanimljiv uređaj, jer može raditi iu načinu smanjenja napona iu načinu povećanja napona. Međutim, vrijedi uzeti u obzir da je polaritet njegovog izlaznog napona suprotan ulaznom, tj. na zajedničkoj žici pojavljuje se pozitivan potencijal.

Inverzija je također uočljiva u smjeru u kojem je dioda D malo slična IPPN2. Dok je sklopka T zatvorena, događa se proces akumulacije induktivne energije, snaga iz izvora ne dolazi do opterećenja zbog diode D. Kada je sklopka zatvorena, induktivna energija se počinje rasipati u trošilu.

Struja nastavlja teći kroz induktivitet, pojavljuje se samoinduktivna emf, usmjerena na takav način da se na krajevima zavojnice formira polaritet suprotan primarnom izvoru energije. Oni. Negativan potencijal nastaje na spoju emitera tranzistora (odvod, if), katode diode i kraja namota zavojnice. Na suprotnom kraju, odnosno, pozitivno.

Koeficijent pretvorbe IPPN3 jednak je:

Jednostavnom zamjenom radnog ciklusa u formulu, utvrđujemo da do vrijednosti D od 0,5 ovaj pretvarač djeluje kao pretvarač snižavanja, a iznad toga djeluje kao pretvarač pojačanja.

Kako kontrolirati takve pretvarače?

Zauvijek bi bilo potrebno opisati sve opcije za konstruiranje PWM kontrolera; o tome bi se moglo napisati nekoliko tomova tehničke literature. Želio bih se ograničiti na navođenje nekoliko jednostavnih opcija:

1. Sastavite asimetrični multivibratorski krug. Umjesto VT3, tranzistor je spojen u IPP krugovima.

2. Malo složenija opcija, ali frekvencijski stabilnija je ova (kliknite na sliku za povećanje).

Izmijenite dijagram, VT1 je tranzistor, promijenite dijagram tako da na njegovom mjestu postoji IPPN tranzistor.

3. Mogućnost korištenja, tako da možete raditi i mnoge dodatne funkcije su prikladne za početnike. O tome postoji sjajan video vodič.

zaključke

Prekidački naponski pretvarači vrlo su važna tema u industriji napajanja elektroničke opreme. Takvi se sklopovi koriste posvuda, a nedavno, s porastom "domaćih" ili kako je sada moderno zvati "DIY" ljudi i popularnosti web stranice aliexpress, takvi pretvarači postali su posebno popularni i traženi, možete naručiti gotovu pločicu pretvarača koji je već postao klasični LM2596 i slični za svega par dolara, a dobivate mogućnost podešavanja napona ili struje ili oboje.

Još jedna popularna ploča je mini-360

Možda ćete primijetiti da ovim krugovima nedostaje tranzistor. Činjenica je da je ugrađen u mikro krug, osim njega, tu su i PWM kontroler, povratni krugovi za stabilizaciju izlaznog napona i još mnogo toga. Međutim, ti se sklopovi mogu poboljšati ugradnjom dodatnog tranzistora.

Ako ste zainteresirani za projektiranje strujnog kruga koji odgovara vašim potrebama, možete se detaljnije upoznati s projektnim odnosima u sljedećoj literaturi:

“Komponente za izgradnju izvora napajanja”, Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

“Stabilizirani tranzistorski pretvarači” V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.

Prilikom odabira dostupnih mikro krugova za osnovu bez transformatora (i bez induktora), usredotočit ćemo se na dva najpopularnija - to su NE555 mjerač vremena i audio pojačalo operacijsko pojačalo LM386. U ovom ćemo članku provesti eksperimente kako bismo utvrdili mogućnosti svakog od njih u tim funkcijama. Bipolarni mjerači vremena NE555 naširoko se koriste u generatorima raznih DC-DC pretvarača, a najčešće u inverterskim krugovima. Međutim, još jedan vrlo popularan čip, LM386, mogao bi biti dobro rješenje u ovom uređaju. Odmah treba napomenuti da rezultati ovise i o konkretnom proizvođaču ovih čipova te o kvaliteti popratnih komponenti. Koristit ćemo samo Schottky diode kako bismo smanjili gubitak napona na minimum.

Osnovna usporedba NE555 i LM386

1. Raspon napona napajanja NE555 se proteže od 4,5 do 16 V, ali njegova uporaba blizu maksimalnih vrijednosti na visokim frekvencijama može uzrokovati probleme. Puni raspon napona napajanja LM386N1 je 4 do 15 V, a puni raspon napona napajanja LM386N4 je 4 do 22 V. Dakle, LM386N4 ima prednost u odnosu na NE555 jer može podnijeti više ulazne napone napajanja. Trenutna potrošnja NE555 je obično 3-6 mA, dok je struja LM386 obično 4 - 8 mA - ovdje NE555 ima malu prednost.
2. Maksimalna izlazna struja NE555 je ocijenjen na 200 mA, a pad napona na izlaznim tranzistorima je oko 2 V na ±100 mA, što njegovu upotrebu pri višim strujama čini neučinkovitim. Za usporedbu, maksimalna izlazna struja LM386 je mnogo veća od NE555, budući da LM386N1 ima izlaznu snagu od 0,7 W pri 9 V i 8 ohma, a LM386N4 ima 1 W pri 16 V. Ovi rezultati temelje se na klasičnoj formuli za pojačala klase AB uz korištenje maksimalnog zamaha izlaznog napona i vršne izlazne struje.
3. Maksimalna disipacija snage NE555 u dip8 paketu je samo 600MW, dok je LM386 1,25W. Ovdje operacijsko pojačalo ima značajnu prednost u odnosu na timer.

Praktični pokusi

Za naše testove uzet ćemo ulazni napon napajanja na 10 volti. Frekvencija DC-DC pretvarača bit će postavljena na oko 25 kHz (T = 40 MKS), što je znatno niže od njihovih maksimalnih mogućih radnih frekvencija. Točke A i B u krugovima LM386 mogu se koristiti za kontrolu proizvodnje. U krugu su svi otpornici 0,25 W, ±5%, a svi neelektrolitički kondenzatori su 30 V, ±10%, keramički.

Usporedba pretvarača u različitim krugovima

Udvostručenje napona na napajanju plus

Krugovi za udvostručenje koriste pretvarač NE555 kao jednostavan oscilator sa Schmittovim okidačem. Frekvencija se postavlja pomoću R1 i C1, uz malu ovisnost o struji opterećenja. Pretvarač na donjoj slici temelji se na LM386.

Tablica 1 uspoređuje izlazne napone pretvarača pri nekoliko različitih otpora opterećenja. Može se vidjeti da LM386 daje više napone pri većim strujama opterećenja. To je očekivano budući da izlazni stupanj LM386 daje veću maksimalnu izlaznu struju i ima manji pad napona.

Invertiranje u pozitivnu snagu

Tablica 2 uspoređuje izlazni napon na nekoliko različitih otpornika opterećenja za NE555 i LM386 pozitivno invertirajuća napajanja. Ponovno je LM386 audio pojačalo moglo isporučiti više snage opterećenju.

Udvostručavanje i invertiranje u pozitivnu snagu

Možemo kombinirati prethodne krugove pretvarača i razviti dizajn koji proizvodi dva izlazna napona. Krug NE555 pruža nižu ukupnu izlaznu struju i snagu u usporedbi sa krugom koji koristi operacijsko pojačalo LM386. Zaključak - LM386 ima primjetne prednosti u odnosu na NE555.

Upotreba: u DC-DC pretvaračima, gdje je primarni napon industrijska frekvencijska mreža od 220 V ili više. Bit izuma: uređaj sadrži kaskadni razdjelnik napona koji se sastoji od dioda-kondenzatorskih ćelija. Kondenzatori spojeni u seriju pune se tijekom maksimalne amplitude pozitivne vrijednosti sinusnog vala izmjeničnog napona na sabirnicama. Njihovo pražnjenje na ulaze napajanja kaskade impulsa snage provodi se pri negativnoj vrijednosti sinusoide izmjeničnog napona i kada su ovi kondenzatori spojeni paralelno. Pomoćni tranzistor smanjuje snagu potrebnu za pogon izlaznog tranzistora i smanjuje snagu koju on rasipa. 3 plaće f-ly, 3 ilustr.

Izum se odnosi na elektrotehniku, odnosno na pretvaračku tehniku ​​u uređaje za pretvaranje električne energije izmjeničnog napona, primjerice industrijskih mreža, u istosmjerni napon za napajanje sustava automatizacije ili radioelektronike. Poznati su pretvarači napona bez transformatora, kod kojih se izmjenični primarni napon ispravlja mosnim ispravljačem, a zatim se istosmjerni napon pretvara u potrebni izlaz s galvanskim odvajanjem impulsnim visokofrekventnim tranzistorskim stupnjem snage. Nedostatak takvih pretvarača je njihov niska pogonska pouzdanost i nedovoljna energetska učinkovitost. To je zbog suboptimalnog raspona sigurnog rada modernih visokonaponskih tranzistora snage koji se koriste u stupnjevima impulsa snage, kao i niskih faktora pojačanja ovih tranzistora. Također se koriste pretvarači napona bez transformatora, u kojima se napon napajanja stupnja impulsa smanjuje pomoću impulsnog ili linearnog stabilizatora. Nedostatak takvih pretvarača je složenost kruga i niska pouzdanost rada, budući da je dovoljno visoka frekvencija pretvorbe u. pulsni stabilizator zahtijeva rješavanje pitanja usklađenosti sa standardima sigurnog rada tranzistora snage ovog stabilizatora. U slučaju korištenja linearnog stabilizatora, energetska učinkovitost takvog tehničkog rješenja je niska. Najbliži predloženom i po dizajnu sklopa i po suštini procesa koji se odvijaju je pretvarač koji sadrži kaskadne diodno-kondenzatorske ćelije spojene u seriju ili paralelno pomoću izlaznog tranzistora i koje smanjuju primarni napon na prilično niske vrijednosti ovog pretvarača je složenost zbog prisutnosti posebnog upravljačkog kruga za izlazni tranzistor i mrežni ispravljač mosta, kao i niska pouzdanost rada zbog korištenja visoke frekvencije prebacivanja. Svrha izuma je povećanje pouzdanosti rada pojednostavljivanjem sklopa i olakšavanjem načina rada elemenata. Cilj se postiže tako što se izlazni tranzistor, koji prebacuje ćelije dioda-kondenzatora, upravlja primarnim naponom mreže pomoću pomoćnog tranzistora. Osim toga, za ograničavanje amplitude kratkih sklopnih impulsa struje pražnjenja kondenzatora ćelije, uvodi se prigušnica s blokirajućom diodom. Da bi se dodatno povećala energetska učinkovitost pretvarača, u krug se uvode prisilni tranzistor i kondenzator koji ubrzavaju početno otvaranje izlaznog tranzistora. Na sl. Slike 1-3 prikazuju dijagrame naponskih pretvarača bez transformatora koji odgovaraju: Slika 1, zahtjev 1 patentnih zahtjeva; Slika 2, zahtjevi 2 i 3; sl.3 str.4. Pretvarač napona bez transformatora prema shemi na slici 1 sadrži N dioda-kondenzatorskih ćelija, gdje ćelije od prve do (N-1) sadrže diode za punjenje 1.1,1.(N-1), diode za pražnjenje 2.1,2.( N-1) diode, izlazne 3.1,3.(N-1) diode i kondenzatore 4.1,4.(N-1), a N-tu ćeliju čine dioda za punjenje 1.N i kondenzator 4.N. Anoda diode za punjenje 1.1 prve ćelije spojena je na prvu mrežnu sabirnicu 5 i prvi terminal otpornika za otvaranje 6. Anode dioda za pražnjenje 2.1,2.(N-1) spojene su na drugu mrežu sabirnice 7 i negativnog ulaza napajanja 8 stupnja impulsa snage 9. Katode izlaznih dioda 3.1,3.(N-1) spojene su na emiter izlaznog tranzistora 10 tipa pnp vodljivosti i na prvi terminal blokirni otpornik 11. Katode nabojnih 1.1,1.(N-1) dioda spojene su na anode odgovarajućih izlaznih 3.1, 3.(N-1) dioda i s prvim stezaljkama kondenzatora 4.1,4. (N-1), čiji su drugi izvodi spojeni na katode dioda za pražnjenje 2.1,2.(N-1), redom. Osim toga, katode dioda za pražnjenje 2.1, 2. (N-1) spojene su, redom, na anode dioda za punjenje 1.2, 1.N sljedećih ćelija, a katoda diode za punjenje 1.N je spojen na prvi terminal kondenzatora 4.N, kolektor izlaznog tranzistora 10, drugi terminal blokirajućeg otpornika 11 i na pozitivni ulaz napajanja 12 stupnja impulsa snage 9. Drugi terminal kondenzatora 4. N je spojen na drugu mrežnu sabirnicu 7. Spojna točka između katode diode 2.(N-1) i anode diode 1.N spojena je preko kolektorskog otpornika 13 na kolektor pomoćnog tranzistora 14 pnp tip vodljivosti, čiji je emiter spojen na bazu izlaznog tranzistora 10, a baza na drugi terminal otvarajućeg otpornika 6. Radi jasnoće prezentacije, stupanj impulsa snage 9 prikazan je u obliku jednog tranzistora DC-DC pretvarač, gdje je tranzistor snage 15, kojim upravlja upravljačka jedinica 16, povezan preko primarnog namota 17 energetskog transformatora 18 s pozitivnim 12 i negativnim 8 ulaza napajanja. Općenito, vrsta kaskade impulsa snage ne utječe na razmatrane procese rada pretvarača napona bez transformatora. Krug pretvarača napona bez transformatora na slici 2 razlikuje se po tome što je kolektor izlaznog tranzistora 10 spojen na prvi izlaz induktora 19 i na katodu blokirne diode 20, čija je anoda spojena na drugu mrežnu sabirnicu. 7, a drugi izlaz induktora 19 spojen je na pozitivni ulaz napajanja 12 stupnja impulsa snage 9, drugog terminala otpornika za otvaranje 11 i spojne točke između katode diode za punjenje 1.N i prve priključak kondenzatora 4.N. U krugu pretvarača napona bez transformatora na sl. 3, osim opisanih spojeva i elemenata, kolektor tranzistora 14 je preko kolektorskog otpornika 13 spojen na prvi izvod prisilnog kondenzatora 21 i emiter prisilnog tranzistora 22. tipa vodljivosti pnp, čiji je kolektor spojen na mjesto spajanja katode diode 2.(N-1), anode diode 1.N i drugog izvoda kondenzatora 4.(N-1), a baza je preko baznog otpornika 23 spojena na katodu diode 1.N. Drugi priključak kondenzatora 21 spojen je na anodu diode 3.(N-1). Pretvarač bez transformatora prema dijagramu na slici 1 radi na sljedeći način. Razmotrimo ustaljene radne procese. U početnom stanju, ako ne uzmete u obzir valovitost istosmjernog napona, kondenzatori 4.1,4.N se pune na približno isti napon, jednak izlaznom naponu kaskadnog razdjelnika napona, numerički procijenjenom dijeljenjem amplitude trenutnog napona na mrežnih sabirnica 5 i 7 brojem ćelija kaskadnog djelitelja N. Kada je trenutna vrijednost napona na mrežnim sabirnicama 5 i 7 jednaka maksimalnoj (amplitudi), kondenzatori 4.1,4.N se punenjem pune do maksimalne vrijednosti napona. diode 1.1,1.N. U ovom slučaju, ćelije kaskadnog razdjelnika su međusobno povezane u seriju. Nakon što se napon počne smanjivati ​​od vrijednosti amplitude, diode su zaključane, jer ukupni napon na serijski spojenim kondenzatorima 4.1,4.N postaje veći od trenutne vrijednosti napona na mrežnim sabirnicama 5 i 7. Tranzistori 10 i 14 su zaključani. , budući da napon koji se primjenjuje na njihove bazne emiterske spojeve ima blokirajući polaritet. Struja koja teče kroz otpornik 11 stvara napon blokade na spoju baza-emiter tranzistora 10. Odabirom broja dioda 3. (N-1) povezanih u seriju, možete promijeniti vrijednost napona blokade. Zatim se mrežni napon na sabirnicama 5 i 7 smanjuje i njegov polaritet se mijenja. Međutim, tranzistori 10 i 14 ostaju isključeni, budući da polaritet napona na bazi tranzistora 14 blokira sve dok napon na mrežnim sabirnicama 5 i 7 ne bude jednak naponu na kondenzatoru 4. N, odnosno s naponom na ulazima napajanja 12 i 8 stupnja impulsa snage 9. Kad su naponi jednaki, bazni emiterski spojevi tranzistora 14 i 10 se otvaraju i bazna struja tranzistora 10 teče kroz otvoreni tranzistor. 14 od napona na kondenzatoru 4.(N-1). Veličinu struje određuje otpornik 13. Dakle, baznu struju tranzistora 10 stvara ne napon na mrežnim sabirnicama 5 i 7, već napon na kondenzatoru 4 (N-1) smanjen za N puta. Budući da napon na ovom kondenzatoru nema glatki sinusni oblik, već je konstantan, front napona koji tvori baznu struju tranzistora 10 može biti mnogo strmiji zbog činjenice da je strujni krug tranzistora 10 i 14 spojen prema sklop kompozitnog tranzistora. Ovo određuje kraće vrijeme uključivanja tranzistora 10, i, prema tome, manju snagu koju rasipa tijekom sklopnih stupnjeva. Nakon otvaranja tranzistora 10, kondenzatori 4.1,4.N se spajaju paralelno preko izlaznih dioda 3.1,3.(N-1), spoja kolektor-emiter tranzistora 10 i dioda za pražnjenje 2.1,2.(N -1). Budući da se kondenzator 4.N, tijekom serijskog spajanja kondenzatora, prazni na ulaze napajanja 12 i 8 stupnja impulsa snage 9, zatim na preostalim kondenzatorima 4.1,4. (N-1) do trenutka kada se isprazne bit će veći napon i oni se isprazne za ponovno punjenje kondenzatora 4.N i za opterećenje. Tijekom vremenskog razdoblja koje se razmatra, mrežni sinusoidalni napon nastavlja opadati, prolazeći kroz minimum (to jest, kroz maksimum negativnog poluvala sinusnog vala). Nakon prolaska minimuma, napon mrežnih sabirnica 5 i 7 počinje rasti, još uvijek imajući negativan polaritet. Kada negativni mrežni napon, rastući, dosegne vrijednost napona na ulazima 12 i 8 stupnja snage 9, tranzistori 14 i 10 će se zatvoriti, jer će se na njihove spojeve baza-emiter primijeniti obrnuti napon. Kondenzatori 4.1,4.(N-1) odspojeni su od stupnja impulsa snage 9, a kondenzator 4.N će održavati konstantan napon na ulazima napajanja 12 i 8 stupnja impulsa snage 9. U ovom slučaju, izlazi 3.1 ,3.(N-1) diode i bit 2.1,2.(N-1) diode su zaključane. Ovo stanje se održava nepromijenjenim sve dok mrežni napon ne dosegne pozitivnu naponsku razinu jednaku zbroju napona na serijski spojenim kondenzatorima 4.1.4.N. Nakon što napon mreže prijeđe navedeni ukupni napon, otvaraju se diode za punjenje 1.1,1.(N-1) i kondenzatori 4. 1,4.N počinju se puniti mrežnim naponom u vremenskom razdoblju kada se postigne najveća pozitivna vrijednost mrežnog napona. Dalje, procesi punjenja i pražnjenja kondenzatora nastavljaju se na isti način. Punjenje kondenzatora 4.N tijekom jednog ciklusa rada, odnosno tijekom jednog perioda frekvencije izmjeničnog napona mreže, događa se dva puta. To jest, unatoč poluvalnom načinu rada kondenzatora 4.1,4.(N-1), kondenzator 4.N radi u kvazi-punovalnom načinu rada: prva faza njegovog punjenja provodi se tijekom punjenja skupinu serijski spojenih kondenzatora, a drugi tijekom pražnjenja kondenzatora 4.1,4 .(N-1) na stupanj impulsa snage 9 i kondenzator 4.N. Ovo pomaže smanjiti valovitost napona na ulazima napajanja 12 i 8 i omogućuje korištenje manjih kondenzatora. Prisutnost konstantnog napona na ulazima napajanja 12 i 8 osigurava rad stupnja impulsa snage 9. Tranzistor 15, kojim upravlja upravljačka jedinica 16, pretvara istosmjerni napon u impulsnu struju kolektora, koju pretvara transformator 18 u teret. Dakle, u uređaju koji se razmatra, izlazni tranzistor se upravlja iz napona nižeg od mrežnog napona i sa strmijim sklopnim rubovima. To omogućuje povećanje energetske učinkovitosti uređaja, smanjenje potrošnje energije i povećanje pouzdanosti pretvarača. Pretvarač bez transformatora prema dijagramu na sl. 2 radi na sljedeći način. Maksimalna amplituda struje koja teče kroz izlazni tranzistor javlja se kada je on uključen, kada se kondenzatori 4.1,4.(N-1) isprazne na djelomično ispražnjeni kondenzator 4.N. Trajanje impulsa ove struje je obično 2-5% od uključenog ciklusa tranzistora 10. Amplituda je ograničena induktorom 19, čiji bi induktivitet praktički trebao biti mali. Da bi se isključio način kontinuiranih struja induktora u prijelaznim načinima uključivanja, isključivanja ili prebacivanja struje opterećenja, koristi se blokadna dioda 20, koja osigurava pražnjenje struje akumulirane u induktivitetu induktora 19. Dakle, uvod induktora 19 i diode 20 omogućuje ograničavanje struje kroz tranzistor 10 i osigurava odsutnost sklopnih prenapona na ovom tranzistoru kada se pojavi stalan strujni način induktora 19, što može uzrokovati sklopne prenapone na kolektoru tranzistora 10. Pretvarač napona bez transformatora prema shemi na Sl. 3 radi na sljedeći način. Primoravanje bazne struje tranzistora 10 kako bi se smanjilo vrijeme pražnjenja kondenzatora 4.1,4.(N-1) za punjenje kondenzatora 4.N i smanjenje snage koju rasipa ovaj tranzistor u vremenskoj fazi koja se razmatra potrebno je tijekom relativno kratkog razdoblja vremena, kao što je gore spomenuto. Preostali mnogo dulji vremenski interval ne zahtijeva veću baznu struju tranzistora 10. Stoga se formiranje prisilnog baznog strujnog impulsa provodi iz nabijenog kondenzatora 21, čiji je kapacitet znatno manji od kapaciteta kondenzatora 4. .(N-1). S otvorenim tranzistorom 14, kada se tranzistor 10 otvori, početna struja pražnjenja kondenzatora 21 daje poticaj baznoj struji tranzistora 10, koja zatim opada kako se kondenzator 21 prazni, smanjujući se na nulu na kraju vremenskog intervala uključenog stanja tranzistora 10. Kondenzator 21 se puni tijekom punjenja serijski spojenih kondenzatora 4.1,4.N iz mrežnog napona na sabirnicama 5 i 7. Preostali procesi kruga ne razlikuju se od gore razmotrenih. Stoga, uvođenje forsiranja bazne struje tranzistora 10 omogućuje ubrzanje procesa punjenja kondenzatora 4.N i smanjenje snage koju rasipa ovaj tranzistor tijekom procesa preklapanja. Posljedično, predloženi uređaj omogućuje povećanje pouzdanosti pretvarača napona bez transformatora pojednostavljivanjem kruga i smanjenjem snage koju rasipaju elementi.

Zahtjev

1. PRETVARAČ NAPONA BEZ TRANSFORMATORA koji sadrži N dioda-kondenzatorskih ćelija, od kojih se svaka, osim N-te, sastoji od dioda za punjenje, pražnjenje i izlazne diode i kondenzatora, katoda diode za punjenje spojena je na anodu izlazne diode i na prvi priključak kondenzatora, čiji je drugi priključak spojen na katodu diode za pražnjenje, a katode izlaznih dioda ćelija, osim N-te, spojene su na emiter izlaza tipa p-n-p tranzistor i na prvi terminal otpornika za blokiranje, anoda diode za punjenje prve ćelije spojena je na prvu mrežnu sabirnicu i na prvi terminal otpornika za otvaranje, anode dioda za punjenje sljedećih ćelija spojene su na katode dioda za pražnjenje prethodnih ćelija od prve do (N-1) ćelije, odnosno, čije su anode spojene na drugu mrežnu sabirnicu, na negativni ulaz napajanja stupnja impulsa snage i drugog terminal kondenzatora N-te ćelije, prvi terminal koji je spojen na pozitivni ulaz napajanja stupnja impulsa snage i na kolektor izlaznog tranzistora, naznačen time što je drugi terminal blokirnog otpornika spojen na kolektor izlazni tranzistor spojen na pozitivni ulaz napajanja stupnja impulsa snage, drugi terminal otvarajućeg otpornika spojen je na bazu uvedenog pomoćnog tranzistora tipa p-n-p- vodljivosti, čiji je emiter spojen na bazu izlaznog tranzistora , a kolektor preko kolektorskog otpornika na anodu nabojne diode N-te ćelije. 2. Pretvarač napona u skladu s patentnim zahtjevom 1, naznačen time, da je navedena veza kolektora izlaznog tranzistora s pozitivnim ulazom napajanja stupnja impulsa snage izvedena preko uvedene prigušnice, čija je spojna točka s navedenim ulazom spojen na spojnu točku prvog izvoda kondenzatora i katode N-te ćelije. 3. Pretvarač napona prema zahtjevima. 1 i 2, naznačen time, da je dioda za blokiranje spojena između kolektora izlaznog tranzistora i negativnog ulaza napajanja kaskade impulsa snage, odnosno katode i anode. 4. Pretvarač napona prema zahtjevima. 1 3, naznačen time što se navedena veza kolektora pomoćnog tranzistora preko kolektorskog otpornika na anodu diode za punjenje N-te ćelije provodi preko emiter-kolektora odgovarajuće uvedenog formirajućeg tranzistora tipa p-n-p , čija je baza preko baznog otpornika spojena na kolektor izlaznog tranzistora, a emiter preko uvedenog prisilnog kondenzatora spojen je na anodu izlazne diode N-1.