Меню

Инвертор напряжения с удвоением

Инвертор напряжения с удвоением

2.2.3. РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С УМНОЖЕНИЕМ ЧАСТОТЫ
2.3.1. ИНВЕРТОР С УДВОЕНИЕМ ЧАСТОТЫ

Увеличение частоты выходного напряжения инверторов сопровождается
ростом потерь мощности при переключении тиристоров, в результате загрузка
тиристоров по току должна снижаться. Практически это приводит к сниже-
нию выходной активной мощности инвертора почти обратно пропорциональ-
но квадрату увеличения частоты. Так по данным работы [16] мощность инвер-
тора на тиристорах ТБ- при увеличении частоты с до кГц (в раз)
снижается с до кВт (в раза), а на тиристорах ТЧ- при увеличении
частоты с до кГц (в раз) мощность уменьшается с до 0,8 кВт (в раз).
Поэтому ограничение частотных возможностей тиристоров для получения
высоких частот выходного напряжения приходится обходить путем примене-
ния специальных схемотехнических решений инверторов. В таких схемах час-
тоты коммутаций тиристоров в целое число фаз меньше частоты выходного
напряжения инвертора, т.е. достигается схемотехническое умножение час-
тоты выходного напряжения.
Наиболее просто, без больших дополнительных усложнений схемы ин-
вертора, удваивается частота выходного напряжения инвертора. При этом ис-
пользуется то обстоятельство в работе резонансных инверторов (как без об-
ратных диодов – рис. 2.2.3, так и с обратными диодами – рис. 2.2), что часто-
та полуволн тока в звене постоянного тока инвертора равна удвоенной частоте
выходного напряжения однофазного инвертора. Формально объяснить этот
факт, даже без рассмотрения схем конкретных инверторов, можно тем, что
вентильный комплект инвертора, представляемый в модели коммутационной
функцией, связывает не только выходные переменные инвертора с входными
(т.е. сторону переменного тока со стороной постоянного тока), но и, наоборот,
входные переменные инвертора с выходными переменными в звене перемен-
ного тока, как это видно из уравнений модели инвертора (2.1.1б) и (.1а).
В этом случае выходное напряжение и ток инвертора как бы выпрямляются по
отношению ко входу инвертора, при этом, как известно из теории выпрямле-
ния, частота выпрямленных напряжения и тока возрастает в qm2 раз, или
в раза применительно к рассматриваемым однофазным мостовым схемам
инверторов.
Первая схема резонансного инвертора с вентилями обратного тока и с уд-
воением частоты показана на рис. 2.2.16,а. В этой схеме нагрузка через разде-
лительный конденсатор Ср (или последовательный CpLp контур) подключена
параллельно входу вентильного комплекта инвертора, при этом в нагрузке
выделяется гармоника напряжения, имеющая двойную частоту по отношению
к частоте выходного напряжения инвертора. Диаграммы напряжений и токов
элементов инвертора приведены на рис. 2.2.16,б.

Источник



Маломощные бестранформаторные преобразователи напряжения на конденсаторах (18 схем)

Здесь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения, как правило, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умножителя напряжения.

Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а также получить на выходе преобразователя напряжение другого знака. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик — обычно единицы, реже десятки мА.

Задающий генератор

Задающий генератор бестрансформаторных преобразователей напряжения может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1) выполнен на основе симметричного мультивибратора.

В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы — маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.

схемы задающих генераторов

Рис. 1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 — задающий генератор; 2 — типовой блок усилителя.

Бестрансформаторный преобразователь напряжения

Бестрансформаторный преобразователь напряжения состоит из двух типовых элементов (рис. 2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряжения (рис. 2).

Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное напряжение 22В при токе нагрузки до 100 мА (параметры элементов: R1=R4=390 Ом. R2- R3=5,6 кОм, C1=C2=0,47 мкФ). В блоке 1 использованы транзисторы КТ603А — б; в блоке 2 — ГТ402В(Г) и ГТ404В(Г).

Читайте также:  Инвертор напряжения 150 ватт

Схема преобразователя с удвоением напряжения

Рис. 2. Схема бестрансформаторного преобразователя с удвоением напряжения.

принципиальная схемы преобразователей напряжения

Рис. 3. Схемы преобразователей напряжения на основе типового блока.

Преобразователь напряжения построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1), можно применить для получения выходных напряжений разчой полярности так, как это показано на рис. 3.

Для первого варианта на выходе формируются напряжения +10 В и -10 В; для второго — +20 В и -10 В при питании устройства от источника напряжением 12В.

Схема преобразователя для питания тиратронов 90В

Для питания тиратронов напряжением примерно 90 В применена схема преобразователя напряжения по рис. 4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=-1 кОм, R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ.

Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.

принципиальная схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем.

Инвертор полярности напряжения из (+) в (-)

Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1). На выходе устройства (рис. 5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания.

принципиальная схема инвертора напряжения

Рис. 5. Схема инвертора напряжения.

По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.

Преобразователь (удвоитель) напряжения

Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 — VD4).

принципиальная схема удвоителя напряжения повышенной мощности

Рис. 6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности.

Блок 1: R1 =R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; C1=C2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.

Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12В (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 В; при 50 Ом — до 10 В; а при 10 Ом — до 7 В.

Двуполярный преобразователь со средней точкой

Преобразователь напряжения (рис. 7) позволяет получить на выходе два разнополярных напряжения с общей средней точкой. Такие напряжения часто используют для питания операционных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его величины изменяются одновременно.

принципиальная схема преобразователя для разнополярных выходных напряжений

Рис. 7. Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений.

Транзистор VT1 — КТ315, диоды VD1 и VD2—Д226.

Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.

Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.

Выходное сопротивление удвоителя — 10 Ом. В режиме холостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличении тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 В.

Преобразователи-инверторы с задающим генератором на КМОП-элементах

Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 8) выполнен на двух КМОП-элементах, К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное напряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов — при низковольтном питании) меньше входного.

Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах

Рис. 8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах.

Похожая схема преобразователя изображена на следующем рисунке (рис. 9). Преобразователь содержит задающий генератор на КМОП-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов.

На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: +15 б при токе нагрузки 13. 15 мА и -15 В при токе нагрузки 5 мА.

Читайте также:  Питание светодиода от пониженного напряжения

принципиальная схема конденсаторного преобразователя напряжения

Рис. 9. Схема преобразователя напряжения для формирования разнополярных напряжений с задающим генератором на КМОП-элементах.

На рис. 10 показана схема выходного узла бестрансформаторного преобразователя напряжения.

принципиальная схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения.

Рис. 10. Схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения.

Этот узел фактически является усилителем мощности. Для управления им можно использовать генератор импульсов, работающий на частоте 10 кГц.

Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощности потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближается к 18 В (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротивление — около 10 Ом.

При работе узла от задающего генератора на КМОП-элементах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ограничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор сопротивлением в несколько кОм.

Преобразователь напряжения для управления варикапами

Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах. Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 б, и такая схема показана на рис. 11.

На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 — VD4 и конденсаторы С2 — С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 — параметрический стабилизатор напряжения.

принципиальная схема преобразователя напряжения для варикапов

Рис. 11. Схема преобразователя напряжения для варикапов.

Преобразователь напряжения на КМОП микросхеме

принципиальная схема преобразователя напряжения на КМОП микросхеме

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения на КМОП микросхеме.

Простой преобразователь напряжения на одной лишь КМОП-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис.12.

Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 12):

Источник

Двухполупериодный выпрямитель — однофазные, трехфазные, мостовые

Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники.

В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них. Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств.

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.

Простейший преобразователь

Схема: простейший преобразователь

Обозначения:

  • Tr – трансформатор;
  • DV- вентиль (диод);
  • Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
  • Rn – подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Пояснение:

  • в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
  • U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
  • Un – осциллограмма на нагрузке.

Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны — это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.

Принцип действия двухполупериодной схемы

Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.

Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом

Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом

Используемые элементы:

  • Tr – трансформатор, у которого имеются две одинаковые вторичные обмотки (или одна с отводом по середине);
  • DV1 и DV2 – вентили (диоды);
  • Cf – емкостной фильтр;
  • Rn – сопротивление нагрузки.

Приведем сразу для наглядности осциллограмму в контрольных точках.

Диаграмма прибора балансного типа

Диаграмма прибора балансного типа

  • U1 – осциллограмма на входе;
  • U2 – график перед емкостным фильтром;
  • Un – диаграмма на выходе устройства.

Данная схема — это два совмещенных однополупериодных преобразователя, то есть на два раздельных источника приходится одна общая нагрузка. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Из него видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.

Читайте также:  Указатель низкого напряжения пин 90 это

Осциллограмма наглядно демонстрирует преимущества такого устройства, а именно, следующие факты:

  • частота пульсаций на выходе устройства удваивается;
  • уменьшение «провалов» между импульсами допускает использование меньшей фильтрующей емкости;
  • двухтактный преобразователь обладает большим КПД, чем однополупериодный.

Теперь рассмотрим мостовой тип, он изображен на рисунке ниже.

Пример использования диодного моста

Схема: Пример использования диодного моста

Осциллограмма устройства мостового типа практически не отличается от балансного, поэтому приводить ее нет смысла. Основное преимущество такой схемы – нет необходимости использовать более сложный трансформатор.

Видео: Двухполупериодный выпрямительный мост

Преобразователи, где используется полупроводниковый диодный мост, широко применяются как в электротехнике (например, в аппаратах для сварки, где номинальный ток может доходить до 500 ампер), так и радиоэлектронике, в качестве источника для слаботочных цепей.

Заметим, что помимо полупроводниковых можно использовать и вакуумные диоды – кенотроны (ниже показан пример схемы такого устройства).

Преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

Собственно, представленная схема – это классическая реализация балансного преобразователя двухполупериодного типа. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не применяются, их заменили полупроводниковые аналоги.

Как организовать двухполярное питание

Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.

Пример преобразователя с двухполярным выходом

Схема: пример преобразователя с двухполярным выходом

Как реализовать удвоение напряжения

Ниже представлена схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение, вдвое выше исходного.

Схема с удвоением напряжения

Схема с удвоением напряжения

Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а поскольку они расположены последовательно, то, по итогу, на «Rn» суммарное напряжение будет вдвое выше, чем на входе.

В преобразователе с таким умножителем можно применять трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.

Использование операционных усилителей

Как известно, у диодов вольтамперная характеристика нелинейная, создавая однофазный прецизионный (высокоточный) выпрямитель двухполупериодного типа на микросхеме ОУ, можно существенно снизить погрешность. Помимо этого, имеется возможность создать преобразователь, позволяющий стабилизировать ток на нагрузке. Пример схемы такого устройства показан ниже.

Простой стабилизатор на операционном усилителе

Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе

На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем ОУ — это управляемый по напряжению источник. Такая реализация позволяет добиться, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потери напряжения на нагрузке Rн и диодном мосту D1-D4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно незначительно усложнить, добавив в нее стабилитрон. Он подключается параллельно сглаживающей емкости.

Кратко об управляемых преобразователях

Нередко требуется управлять напряжением на выходе преобразователя, не изменяя входное. Для этой цели наиболее оптимальным будет применение управляемых вентилей, пример такой реализации показан ниже.

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

Трехфазный выпрямитель

Мы рассматривали различные реализации однофазных двухполупериодных преобразователей, но подобные устройства используются и для трехфазных источников. Ниже, в качестве примера, показано устройство, созданное по схеме Ларионова.

Пример реализации схемы ЛарионоваПример реализации схемы Ларионова Осциллограмма на выходе схемы ЛарионоваОсциллограмма на выходе схемы Ларионова

Как показывает расположенный выше график, реализация мостовой схемы между парами фаз позволяет получить на выходе незначительные пульсации. Благодаря этому фильтрующую емкость можно существенно снизить, или вообще обойтись без нее.

Проектирование

Расчет даже простого двухполупериодного преобразователя является непростой задачей. Существенно упростить ее можно используя специальное программное обеспечение. Мы рекомендуем остановить выбор на программе Electronics Workbench, которая позволяет выполнить схематическое моделирование аналоговых и цифровых электрических устройств.

Смоделировав в этой программе двухполупериодный выпрямитель можно получить наглядное представление о принципе его работы. Встроенные формулы позволяют рассчитать максимальное обратное напряжение для диодов, оптимальную емкость гасящего конденсатора и т.д.

Источник