具有电流倍增功能的电容电压转换器。方案、说明

具有电流倍增功能的电容电压转换器

免费技术库

为了减小所设计的无线电设备的尺寸，无线电爱好者非常重视电源的小型化。通常这个问题是使用脉冲电压转换器来解决的。同时，电子元件领域的重大进步使您能够创建按照所谓的“变压器”原理运行但不包含变压器的小型电源。相对简单的设计和组件的可用性也使其对无线电业余爱好者有吸引力。

在网络电源功率较低时，通常使用带有淬火电容器的无变压器版本[1]。这种模块的缺点是，网络消耗的电流大约等于输出，并且随着输出功率的增加而变得非常大，尽管它本质上主要是无功的。同时，在变压器单元中，这些电流通过变比连接。在这方面，我们认为，根据“变压器”原理工作的电容器电源似乎是相关的。

早在1972年，新西伯利亚电工研究所的L. M. Braslavsky就首次提出了这样的技术方案，并提交了发明申请。事实证明，它对于专家来说是如此原创和非显而易见，以至于 VNIIGPE 对申请进行了整整六年的审查，直到 1978 年才颁发了版权证书。后来，其他解决方案获得了专利，允许实现具有多种输出电压 [2] 及其稳定性的电容器电源。这些解决方案与使用开关电容器的设备有很多共同点，开关电容器在国外电路中非常流行[3]。我国这一方向的进一步发展应考虑降压AC-DC变换器[4]。

这种装置的简化图如图 1 所示。 1、其工作原理如下。在初始时刻，设备的电容器C1-Cn（具有相同容量）链被放电。当电源电压为正半波时，二极管VD6、VD8-VD2和VD3断开，二极管VD5-VDXNUMX...VDn闭合。在这种情况下，该装置的所有电容器都串联连接，并由电源电压充电至其峰值。而且，由于N个电容器的电容相等，每个电容器上的电压比网络的幅值电压小N倍，并且连接到网络的等效电容也比一个电容器的电容小N倍。

具有电流倍增功能的电容电压转换器

在正半周期的后半段，二极管VD1、VD6-VD8和VD2截止，它们所积累的电荷存储在电容器上。在负半周期，二极管VD1和VD2闭合，因此电容器单元与网络断开。此时，可以通过闭合电子开关S1的触点将低压负载Rn连接至单元的输出。现在，二极管VD3-VDn、VD9-VD11打开，所有充电电容器并联连接到低压负载，这使得可以从该单元获得明显高于充电电流的平均值。因此，该模块在增加输出电流的同时降低电压。由于在半周期的前半部分电容器上有能量积累，而在后半部分则能量返回，因此电容器单元的操作具有明显的推挽特性。为了消除纹波并增加平均电流值，滤波电容器Cf的电容值必须足够大，或者使用另一个类似的电容器单元，其工作在相同的负载上，但与第一个电容器反相。

在所考虑的设备中，开关 S1 触点的闭合发生在供电网络的频率下，与开关电源相比，这显着降低了开关损耗，而且，不对二极管提出要求的速度。尽管如此，对反向电压大小的要求仍然存在。因此，例如，二极管VD1、VD2、VD3-VDn和VD9-VD11的反向电压必须高于网络的峰值电压，并且平均电流小于输出电流的2N倍。所有其他二极管的反向电压都可以小于网络幅值N倍。

该器件的缺点是缺乏与网络的电流隔离以及充当电子开关 S1 的晶体管的高工作电压。但使用小型低压氧化物电容器和现代高压晶体管的可能性确保了电容器电源与开关单元的功率指标的可比性，并使它们在各种应用中具有广阔的前景。

基于这些想法，设计了一款功率为150W、质量不超过1kg的全无变压器充电器。它允许您实现电池的“训练” - 一种模式，电池在电源电压的一个半周期内充电，然后以较低的电流向镇流电阻放电。

所述电容器电压转换器设计用于为容量高达70Ah的汽车电池充电，因此该装置的最大平均输出电流必须为7A。该值与20级可变组件的限制一致。 ... 所应用氧化物电容器标称电压的 30%。

该装置的原理图如图2所示。 38、整流二极管VD13、电容器C39和稳压二极管VD40、VD2构成控制单元的电源电压，使开关晶体管VT3、VTXNUMX的工作与市电电压的极性同步，稳定输出电流。

（点击放大）

该装置的工作原理如下。随着市电电压的正半波，一组电容器C1-C12和存储电源电容器C13被充电。在负半波时，光耦合器 U1 的 LED 导通，其光电晶体管打开并分流晶体管 VT1 的发射结。晶体管VT1闭合并通过电阻器R5将运放DA1的同相输入端连接到电容器单元的输出端。同时，运放本身开关并打开晶体管VT3、VT2和光耦合器U2的LED。

运放DA1工作在比较器模式下，因此其输出信号只能取两个值——接近电源电压和接近零。如果其反相输入端的电压大于同相输入端的电压，则输出电压将接近于零，并且晶体管VT3将处于闭合状态。否则，运放输出端的电压接近电源电压，晶体管VT3打开，并通过电阻R10-晶体管VT2和光耦合器U2。

用于稳定输出电流的输入信号是电容器单元上的电压。它通过已知关系与电荷相关：U=CQ 和 dU/dt=CdQ/dt=CI。因此，电容器单元上的电压变化（其减小）与给予负载的电荷成正比，因此，通过稳定电容器单元在单个放电周期期间发出的电荷，该装置稳定了输出电流。其值由电阻R7调节。在闭合晶体管VT1之后，来自电容器单元的电压被提供给运算放大器DA1的非反相输入端，并与从分压器R6-R8提供给反相输入端的示例性电压进行比较。当电容器单元上的电压变得小于示例性电压时，运算放大器DA1切换到零状态并关闭晶体管VT3，并通过它（以及器件的负载）关闭光耦合器光敏电阻U2。

如果由于某种原因，电容器单元上的电压没有降低到示例性电压（即，由电阻器 R7 滑块的位置确定的电荷没有进入负载），并且分配给放电的时间已经结束，则操作防止电源电压进入输出设备的单元的结构是这样的。网络负半波的电压下降，直到光耦合器 U1 的 LED 关闭，从而其光电晶体管关闭。这导致晶体管VT1打开，分流非反相输入并切换比较器DA1，并且因此甚至在电源电压的正半波出现之前关闭晶体管VT3、VT2。因此，电流稳定单元与市电电压的极性强制同步。

U2 光耦合器仅用作安全增强功能，可能无法在内置电源中使用。

电池充电需要相对较长的时间并且需要一定的控制。因此，该器件能够自动关闭正在充电电压为 14,2 ... 14,4 V 的电池。断开充满电电池的阈值元件的功能由电磁继电器 K1 (RES10) 执行，工作电压约为10,5V。继电器通过导线微调电阻R2连接到输出端子X3和X11。该电阻器与电容器C14一起形成滤波器，抑制脉动充电电压的交流分量，但通过电池电压的缓慢上升的直流分量。因此，当达到阈值电压时，继电器 K1 被激活，并通过打开触点 K1.1 来关闭电容器单元和控制系统的电源。继电器绕组本身仍然由正在充电的电池供电，并且由于存在磁滞，当电压降至 11,8 V 时会关闭。此后，电池会自动充电。

自动结束充电的开启/关闭由开关SA2来进行。使用RES10系列继电器是因为其消耗电流低，因此在充电终止模式下电池放电电流也低。所使用的继电器的低功率触点还反映了与负载的电容性质相关的所述设备的特征。因此，电容器单元的电源电路发生断路而不会产生火花。

由于设备与电源之间缺乏电流隔离，使用两个电源保险丝（FU1、FU2）和一个两段式 SA1 开关会提高电气安全要求。

无变压器充电器的外观和一些设计特点如图3所示。 1、装置本体由两块U型铝板用螺钉连接而成。其前壁设有电源指示灯（HL1）、监测充电电流的电流表PA2和输出插座夹X3、X1。开关 SA2、SA7（拨动开关）、微调器 R11、RXNUMX 和电源保险丝位于机箱后壁上。那里设置调谐电阻是因为有一个稳定充电电流的系统的存在，因此，在车库操作时，只需要设置充电电流的值和操作充电结束的阈值即可。开始运行。

具有电流倍增功能的电容电压转换器

光耦U2和大功率晶体管VT3安装在外壳上部，外壳上有通风孔。其散热器的冷却面积约为20 cm2。散热器通过带有绝缘套管和塑料垫圈的螺钉固定在外壳上。

二极管电容器单元组装在由单面箔玻璃纤维制成的印刷电路板上，该印刷电路板安装在外壳内的架子上。在位于电容器单元下方的第二块板上，安装了充电器控制系统的所有部件。

可以在电容器单元中使用任何氧化物电容器，但优选为相同类型。在使用进口电容器的情况下，该块的尺寸可以显着减小。该块的二极管也可以是任何二极管，设计用于相同的电流和反向电压 - 甚至二极管 D226B 和 D7Zh 也可以，但块的尺寸及其质量将显着增加。

光耦TO325-12,5-4将被不低于125级的TO10-125或TO12,5-4替代。可以使用类似的国产场效应晶体管或进口IGBT代替KP706B（VT3），达到相同的电流和电压，并且最好具有最小的沟道电阻。

选择电磁继电器 (K1) 时，必须考虑到铭牌额定电压约为跳闸电压的 1,5 ... 1,7 倍，并且即使是同一批次的继电器，跳闸电压也可能略有不同。可以使用电流消耗足够低的继电器 RES9、RES22、RES32 和其他继电器，以实现 8 ...颤振”继电器触点和误报范围内的工作电压。

仅当有电源保险丝时才调整设备。首次通电前，请务必检查安装和连接是否正确，错误可能会导致大部分部件失效，甚至导致电容器爆炸。作为保险，电容器单元可以用厚纸板或胶合板制成的盒子覆盖。

正确组装的设备立即开始工作。基本上，只需要选择电阻R6和R8来调整充电电流的调整范围。为此，请将放电后的电池连接到设备的输出，并使用电阻器 R6 和 R8 的选择，使用电流表 PA1 设置电阻器 R7 的充电电流调节范围。如果在电阻器 R7 滑块的初始位置，电流不为零，则需要减小电阻器 R8 的阻值。如果充电电流变为零而不是在R7发动机的极限位置，则应增大该电阻的阻值。接下来，将电阻器 R7 的滑块设置到其最终位置。如果现在充电电流小于最大值，则必须减小电阻器R6的阻值，如果超过，则增大电阻器RXNUMX的阻值。

之后，将 SA2 开关设置到“手动模式”位置，将电池充满电，用直流电压表监测电池上的电压。然后断开设备与电源的连接，将 SA2 拨动开关设置为“自动”模式，并将 R11 电阻滑块设置为最大电阻位置。将设备重新连接到网络，并通过减小电阻器 R11 的阻值实现继电器 K1 的明确操作 - 设备已准备好运行。

设置和操作充电器时，您必须记住，没有与电源的电流隔离。因此，只有当电源线与主电源断开时，才能连接和断开电池。

所描述的充电器是使用电容器电压转换器的具体示例之一。在其他情况下，必须记住，其输出电压的有效值约为12V，幅度值接近24V。因此，使用两个电容器单元为电子设备供电更为方便，一个其中一个从电源电压的正半波工作，第二个从电源电压的负半波工作。两个模块的输出必须组合起来并为一个公共负载工作。这些块本身几乎是相同的。它们的区别仅在于与载流网络线的连接：第一个块通过二极管阴极连接，第二个块通过阳极连接。这使您能够通过显着降低滤波电容器的电容来获得更多的输出功率。

所述装置的输出电压由电池中电容器的数量决定，并且在较低电压下可以以相当小的步长设置。

所描述的转换器的输出在形式上可以被认为没有连接到网络，因为晶体管VT3和光耦合器U2在网络的一个半周期期间闭合，并且二极管VD3和VD4在另一个半周期期间闭合。但是，您不能相信触摸输出端子是安全的。上述任何元件都可能发生故障，从转换器功能的角度来看，这不会引起注意，但其中一根输出线将连接到网络。因此，您不能安装 VD4 二极管和 U2 光耦合器等 - 没有它们，设备将正常工作。

关于输出电流的稳定。当电容单元上的电压下降到电阻R7设定的值时，输出电流被关闭，并且单元上的初始电压与市电电压成正比。正如作者所示，输出电流与这些电压之间的差值成正比，因此只有在负载变化时才会实现稳定。电源电压的波动会影响输出电流，输出电流的相对变化大约是电源电压相对变化的两倍。

作者提出的用于在电池充电结束时关闭转换器的继电器装置不能具有如此窄的电压迟滞，如文章中所示，因为对于 RES-10 继电器，释放电流大约比释放电流小七倍。跳闸电流。为了获得所需的迟滞，需要使用具有大量触点的继电器。触发时，必须与 R11 串联一个额外的可变电阻，用于设置继电器的释放电压。

文学

Biryukov S. 带淬火电容器的网络电源的计算。 - 广播，1997 年，第 5 期，第 48 页50 - XNUMX。
Braslavsky L. 等人具有两个不同电平输出电压的电压直流转换器。对本发明的描述至ed。证书No. 797022。 - 公告“发现、发明……”，1981 年，第 2 期。
Horowitz P.，Hill W. 电路艺术，共 3 卷：T. 1. Per。摘自英语，第四版。修改以及额外的- M.：米尔，4 年，第 1993 页399-401。
Bogdanovich M., Polyakov A. 带降压功能的交流-直流转换器。对本发明的描述至ed。证书第 1182613 号。 - 公告“发现、发明……”，1985 年，第 36 号。

作者：N.Kazakov，A.Petrov，伏尔加格勒

查看其他文章 部分电压转换器、整流器、逆变器.

读和写 有帮助对这篇文章的评论.

<< 返回

科技、新电子最新动态：

花园疏花机 02.05.2024

在现代农业中，技术进步的目的是提高植物护理过程的效率。创新的 Florix 疏花机在意大利推出，旨在优化采收阶段。该工具配备了移动臂，可以轻松适应花园的需求。操作员可以通过使用操纵杆从拖拉机驾驶室控制细线来调节细线的速度。这种方法显着提高了疏花过程的效率，提供了根据花园的具体条件以及花园中生长的水果的品种和类型进行个性化调整的可能性。经过两年对 Florix 机器在各种水果上的测试，结果非常令人鼓舞。 Filiberto Montanari 等农民使用 Florix 机器多年，他们表示疏花所需的时间和劳动力显着减少。 ... >>

先进的红外显微镜 02.05.2024

显微镜在科学研究中发挥着重要作用，使科学家能够深入研究肉眼看不见的结构和过程。然而，各种显微镜方法都有其局限性，其中之一是使用红外范围时分辨率的限制。但日本东京大学研究人员的最新成果为研究微观世界开辟了新的前景。东京大学的科学家推出了一种新型显微镜，它将彻底改变红外显微镜的功能。这种先进的仪器可以让您在纳米尺度上以惊人的清晰度观察活细菌的内部结构。通常，中红外显微镜受到分辨率低的限制，但日本研究人员的最新进展克服了这些限制。据科学家称，所开发的显微镜可以创建分辨率高达120纳米的图像，比传统显微镜的分辨率高30倍。 ... >>

昆虫空气捕捉器 01.05.2024

农业是经济的关键部门之一，害虫防治是这一过程中不可或缺的一部分。来自西姆拉印度农业研究委员会中央马铃薯研究所 (ICAR-CPRI) 的科学家团队针对这一问题提出了一种创新解决方案——风力昆虫空气捕捉器。该设备通过提供实时昆虫种群数据来解决传统害虫防治方法的缺点。该捕集器完全由风能提供动力，使其成为一种无需电力的环保解决方案。其独特的设计使您能够监测有害和有益昆虫，从而全面了解任何农业地区的昆虫数量。卡皮尔说：“通过在正确的时间评估目标害虫，我们可以采取必要的措施来控制害虫和疾病。” ... >>

来自档案馆的随机新闻

大量生产松露 19.02.2023

未来世界上可能会出现另一个潜在的松露出口国，这将对某些国家/地区的进口蘑菇价格产生积极影响。

茨城县林业和林产品研究所宣布在该国首次成功种植人工松露。这增加了消费者有一天能够享用自制松露作为一天一餐的希望。

松露是一种在土壤中成块生长的真菌。它被称为西餐中使用的优质产品。这种蘑菇因其气味而受到高度重视，松茸蘑菇也是如此。据该研究所称，世界上已知约有 200 种松露。它们是在欧洲国家人工种植的。

日本从国外进口松露，但价格昂贵——欧洲松露每公斤约 80 日元（000 美元）。在日本发现了 604 多种野生松露，但它们很少见。直到现在，人工松露还没有在日本成功种植。

2015年，该研究所开始研究日本特有的白松露品种日本块茎的人工栽培。该研究所选择日本块茎是因为它的气味类似于美国和欧洲种植的白松露；从岩手县到冈山县，日本大部分地区都有种植；它可以长到超过 10 厘米的大小。

研究所专家将日本块茎孢子应用到石栎根中，让它们共存。然后他们在日本四个地区的试验场种植了橡树。 22 月，也就是植树几年后，专家们发现在茨城县和京都县的试验田中只种植了 60 株松露。腰围九公分，重量不超过六十克，大到可以当食材。

专家们在食用时发现，它们散发出类似大蒜的气味，就像西方的白松露一样，而且味道也一样好。

其他有趣的新闻：

▪ 带电子螺柱延伸的轮胎

▪ 昆虫正在世界上消失

▪ 生物水泥

▪ 月亮、雨和地震

▪ 带有内置 MP3 播放器和录音机的手表

免费技术图书馆的有趣材料：

▪ 文章在汽油动力锯的帮助下横切鞭子（在切割区域横切时）。劳动保护标准说明