RU || EN 

 

SEARCH  

www.mikelab.kiev.ua

сайт Черкеса Михаила

Обо мне Программы UR4UEM Статьи Резюме
  
 
Это я
Простой преобразователь напряжения "single-cell step-up"

>>

  Простой преобразователь напряжения

 

Часто возникает потребность запитать малогабаритную аппаратуру от минимального по размерам источника питания. Что может быть лучше по соотношению размер/емкость, чем простой элемент типа "AAA", называемый в народе "мизинчиковой батарейкой"? Однако рабочая ЭДС такого элемента около 1.5 v не удовлетворяет потребности большинства устройств, требующих напряжение от 3 до 9 вольт. Конечно существуют специализированные микросхемы, которые позволяют выполнить задачу повышения напряжения легко и при минимальном количестве дискретных элементов. Однако эти микросхемы не всегда доступны, плюс все найденные мной наименования почему-то не подходят для повышения напряжения выше 5-5.5 вольт.

Частично из-за лени ехать на радиорынок за микросхемой, частично из-за спортивного интереса, мной было проведено небольшое исследование на тему простого one-cell step-up преобразователя, состоящего из минимального количества деталей, доступных любому радиоконструктору.

После нескольких экспериментов с разными схемами автогенераторов, за основу было решено взять широко известную в сети схему примитивного преобразователя для питания белого или синего светодиода от одного полуторавольтового элемента:

Автотрансформатор представляет собой ферритовое кольцо с проницаемостью 1000-2000 единиц с намоткой из 40 витков и отводом от середины. Плечи автотрансформатора должны быть намотаны в одном направлении и быть продолжением друг друга (описание в интернете предлагает мотать 20 витков сдвоенным проводом с последующим соединением половин обмотки крест-на-крест, чтобы получился отвод от середины).

Это упрощенная до предела модификация классического генератора "индуктивная трехточка", принцип ее работы прост. Сразу после включения питания никаких колебаний в катушке нет. Постоянный ток через нижнее плечо автотрансформатора и резистор попадает на базу транзистора и открывает его. В результате ток начинает идти также через верхнее плечо автотрансформатора и открытый транзистор. Этот ток порождает нарастающее магнитное поле в сердечнике, которое создает ЭДС в нижнем плече автотрансформатора. Эта наведенная ЭДС имеет противоположный напряжению питания знак и когда она оказывается выше исходного напряжения на базе транзистора, тот закрывается, прекращая ток по верхнему плечу. После этого схема возвращается в исходное состояние и процесс начинается сначала.

Повышение напряжения достигается благодаря тому, что при закрытии транзистора и прекращении тока через верхнее плечо автотрансформатора, в нем возникает ЭДС самоиндукции, которая имеет противоположный исходному току знак и может во много раз превышать напряжение источника питания. В данной схеме порожденное самоиндукцией напряжение кроме всего прочего еще и складывается с напряжением источника питания, в результате чего на коллекторе транзистора возникают положительные импульсы с амплитудой до нескольких десятков вольт.

Достоинством данной схемы является ее простота и повторяемость с практически любым ферритовым кольцом и транзистором. Однако она полна и недостатков, среди которых большой потребляемый ток и очень высокое выходное напряжение на холостом ходу (без нагрузки), которое может вывести из строя не только подключенную нагрузку, но и транзистор, ведь это напряжение оказывается приложенным к его закрытому коллекторному переходу. Также при взгляде на схему видно, что ток на базу транзистора поступает через ограничительный резистор, сопротивление которого является компромиссом между "полезным" управляющим током и "паразитным" током, который просто утекает с источника питания через нижнее плечо автотрансформатора и эмиттерный переход транзистора. Также эта схема рассчитана на питание светодиода и поэтому не предполагает никаких средств для выпрямления и сглаживания выходного напряжения.

Все эти недостатки привели меня к необходимости регулировки включенного в цепь базы сопротивления в зависимости от напряжения на выходе преобразователя. Этим достигаются сразу две цели: во-первых, выходное напряжение оказывается жестко ограничено сверху, а во-вторых, потребляемый на холостом ходу ток фактически ограничивается только потерями в автотрансформаторе. Такое изменение требует замены резистора еще одним транзистором, а также внесения в схему порогового элемента, определяющего выходное напряжение. Кроме того, питание сложных электронных схем требует наличия выпрямителя и фильтра на выходе преобразователя. После нескольких экспериментов я пришел к этой схеме:

В ней по сравнению с оригиналом добавлен фильтрующий конденсатор на входе, который гарантирует стабильную работу при разряде питающего элемента, а также цепь выпрямления и стабилизации выходного напряжения. Ну и новый регулирующий транзистор, конечно.

Суть ее работы следующая. Пока на выходе нет положительного напряжения, транзистор T1 открыт благодаря отрицательному смещению на его базе через резистор. Это создает все условия для начала генерации, в процессе которой напряжение на выходе повышается до напряжения открытия стабилитрона D2. После этого часть положительного выходного напряжения попадает на базу T1 и уменьшает смещение до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между выходным напряжением и сопротивлением эмиттер-коллектор транзистора T1.

Таким образом, выходное напряжение стабилизируется на уровне, определяемом суммой напряжений стабилизации D2, перехода эмиттер-база T1 и питания.

При появлении нагрузки, напряжение на выходе уменьшится, а значит увеличится отрицательное смещение на базе T1, что повлечет за собой уменьшение его проходного сопротивления, увеличение токов базы T2 и верхнего плеча автотрансформатора, а значит и увеличение амплитуды импульсов на выходе. В итоге достигается новое равновесие при том же самом выходном напряжении.

При построении схемы мною были использованы следующие детали:
Дроссель 2*20 витков на кольце 8x7x2 мм. 2000НН
T1 2N2907
T2 2N2222
D1 1N4148
D2 любой на нужное напряжение

В принципе, все детали могут быть заменены на любые другие. Транзисторы — любые высокочастотные указанной проводимости с допустимым током коллектора не менее 100 mA и коэффициентом передачи тока от 50 и выше. Диод D1 — любой высокочастотный или импульсный с прямым током не менее 50 mA и допустимым обратным напряжением от 50 вольт и выше.

В ходе экспериментов были получены такие характеристики:
Входное напряжение от 0.8 до 2 вольт
Выходное напряжение от 3 до 9 вольт
Выходной ток (просадка на 20%) 40-60 mA (в зависимости от напряжения)
Потребление на холостом ходу 0.5 mA
КПД 50%

В настройке схема не нуждается и единственное, что может понадобиться, это подбор сопротивления резистора для достижения максимального выходного тока при заданном выходном напряжении.

Данная схема имеет некоторые недостатки, которые нужно учитывать при ее использовании. Зависимость выходного напряжения от питающего. Этот недостаток не очень критичен, так как зависимость носит абсолютный, а не пропорциональный характер. То есть если питающее напряжение изменилось на 0.5 вольта, то выходное тоже изменится на 0.5 вольта вне зависимости от коэффициента повышения и потребляемого тока. Отсутствие защиты от короткого замыкания. При котором сначала выходит из строя диод D1, а затем стабилитрон D2 и/или транзистор T1. Данный недостаток унаследован от прототипа и не устранен для сохранения простоты схемы.

           
 

>>

  ссылки
vmt chkflsh

  E-mail:

mike@mikelab.kiev.ua

.

  ICQ:

315996568

.
.Обо мне .Программы .UR4UEM .Статьи .Резюме