Главная > Analog circuits > Автогенерирующий двухтактный преобразователь

Автогенерирующий двухтактный преобразователь

Что делает эмбеддер, когда ему делать нечего? Разумеется, исследует двухтактные автогенерирующие преобразователи! Делать, на самом деле, есть чего, и много, но что-то лень. Потому сегодня я все равно буду исследовать двухтактный автогенерирующий преобразователь. Вот такой: sch_v1 Так, как на рисунке выше, их рисуют в книжках, но мне эта рисовка не нравится; мало того, что в таком начертании преобразователь смахивает на мультивибратор (что далековато от истинного принципа его работы), так еще и выход находится сверху (на первой картинке я это все же слегка поправил). Потому я предлагаю свой вариант: sch Картинка немного забегает вперед — откуда взялись все эти цифры я объясню по ходу статьи. Сначала рассмотрим общий принцип работы схемы. При подаче питания первым откроется тот транзистор, напряжение база-эмиттер которого меньше или коэффициент передачи тока которого больше (совершенно одинаковых транзисторов в природе не бывает). Пускай это будет T2. Тогда через обмотку B начнет протекать нарастающий ток. При этом обмотки A и B вместе работают как автотрансформатор, в результате чего к базе T2 через резистор R2 будет приложено напряжение, даже большее напряжения питания. Это гарантирует насыщение транзистора (т.к. оба перехода, коллекторный и эмиттерный, оказываются открыты). T1 при этом закрыт, ибо напряжение на коллекторе насыщенного T2 мало. T2 открыт, ток через обмотку B растет, все классно. Однако продолжаться это будет ровно до тех пор, пока магнитопровод трансформатора не войдет в насыщение. Как только это случится, индуктивности обмоток резко упадут, а, следовательно, ток через них начнет стремиться к бесконечности, ограниченный практически только сопротивлением обмотки. В самом деле, ведь

и когда индуктивность падает почти до нуля, ток должен быстро расти. В какой-то момент усиления T2 не хватит, чтобы при заданном токе базы поддерживать рост тока. В результате он выйдет из насыщения и войдет в линейный режим, а рост тока прекратится. Но прекращение роста тока означает падение ЭДС на обмотках; то есть, напряжение на базе упадет, отчего транзистор начнет закрываться и ток в обмотке B начнет падать. Как только ток начнет падать, производная в формуле выше сменит знак, и ЭДС на обмотках поменяют полярность, вследствие чего автотрансформатор, составленный из обмоток A и B, начнет работать в обратную сторону, открывая T1. Когда он начнет открываться, трансформатор выйдет из насыщения, и ток в обмотке A начнет нарастать так же, как сначала нарастал в обмотке B, а низкий потенциал на коллекторе T1 будет запирать T2. И так до тех пор, пока трансформатор опять не войдет в насыщение (с другим знаком индукции в магнитопроводе), после чего все повторится. [1]

UPD: Более подробно и корректно работу этой схемы я разобрал тут.

Как и у всего на земле, у такого преобразователя есть плюсы и минусы. Первый и самый очевидный плюс — фантастическая простота. Требуется всего четыре детали, не считая трансформатора. Также к плюсам можно отнести то, что трансформатор в таком преобразователе никогда не войдет в насыщение слишком далеко, что ограничивает потери. Кроме того, это настоящая двухтактная схема, так что трансформатору не нужен зазор, а это означает, что в ход можно пустить, например, колечки от сберегаек (что я и собираюсь сделать дальше). При всех плюсах минусов у этой схемы тоже хватает. Во-первых, входить в насыщение магнитопровод все же будет, так что будут потери, которых можно было бы избежать. Во-вторых, видно, что возможность работы такого преобразователя теснейшим образом завязана на реальные свойства магнитопровода трансформатора (погрешность указания которых в даташитах достигает 30%) и немного на неидеальности транзисторов. То есть, рассчитать такой преобразователь невозможно — его параметры можно только примерно прикинуть, ну или померять на реальной схеме. Рабочая частота будет определяться тем, насколько быстро магнитопровод будет входить в насыщение, то есть, она будет зависеть от входного напряжения. Выше я говорил о колечках от сберегаек. Для тороидального сердечника выражение для индукции в магнитопроводе следующее: formula_thorus где μ — магнитная проницаемость колечка, μ0магнитная постоянная, N — количество витков обмотки, I — ток в обмотке, R — радиус колечка. Скорость нарастания тока в обмотке пропорциональна приложенному напряжению (см. самую первую формулу), то есть скорость нарастания магнитного потока тоже будет ему пропорциональна, то есть рабочая частота будет зависеть от входного напряжения. При этом абсолютное значение индукции будет пропорционально произведению количества витков на ток, потому ток холостого хода будет определяться количеством витков в обмотках A и B (чем больше витков, тем при меньшем токе будет достигнуто насыщение). Отсюда следует еще один недостаток — чтобы получить малый ток холостого хода, надо мотать много провода, что в случае тороидального сердечника особенно утомительно. Ну и ток холостого хода тоже будет зависеть от приложенного напряжения. Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что такая схема подходит тогда, когда простота преобразователя перевешивает необходимость в точной предсказуемости и качестве его характеристик. Например, в случае, когда стоит цель немного развлечься весенним вечером.

Перейдем от теории к практике. У меня в закромах лежало неопознанное колечко, добытое из сберегайки. Его диаметр 10 мм, высота — 3.5 мм, толщина — 2 мм. То есть, оно смахивает на колечко EPCOS R 10 x 6 x 4. core Я намотал на него 10 витков провода и померял индуктивность получившейся катушки. Вышло 286 мкГн, что соответствует проницаемости около 8000. То есть, по даташиту выше, материал колечка — либо T37, либо T38. Индукция насыщения у них — что-то около 400 мТ. Я прикинул, что не лень мотать мне будет не более 15 витков. По второй формуле можно посчитать, что при этом ток насыщения будет что-то около 65 мА. Нормально; вполне укладывается в возможности основных «просто транзисторов» — BC547/847/817. После этого я намотал обмотки — первичную, 15 витков в два провода, и вторичную, 63 витка (сколько осилил). Коэффициент трансформации получился 4.2, то есть, из 1.5 В получим примерно 6.3 В. winding1 Собрал схему. В базы транзисторов поставил резисторы по 510 Ом (какие нашел). При этом при минимальном входном напряжении (я принял минимумом 0.9 В с прицелом на батарейку в качестве источника) ток базы будет достаточен, чтобы при минимальном коэффициенте передачи тока транзисторов (по традиции принимается 100) обеспечить ток коллектора, достаточный для насыщения трансформатора (выше посчитали около 65 мА). Собрал: test Подал 1.5 В. Заработало! V_OUT На выходе 6.3 В RMS, ровно как проектировали. Можно поставить схему выпрямления с удвоением и получить 12 В. Напряжение на коллекторах: V_C Видно, что амплитуда импульсов равна 3 В, то есть, в два раза больше напряжения питания. Так что практика и впрямь совпадает с теорией — первичная обмотка работает как автотрансформатор. Напряжение на базах (не верьте измерению частоты, осциллограф глючит из-за выбросов; сетка по времени та же, что и выше): V_B Потребляемый ток. Мерял напряжение на резисторе в 10 Ом, включенном последовательно с преобразователем: V_R10R Около 76 мА в пике. По второй формуле можно вычислить индукцию насыщения — получается около 457 мТ, то есть, феррит, видимо, все же T38. Средний ток холостого хода при напряжении 1.5 В составил около 30 мА. Запускается преобразователь при входном напряжении 0.5 В. Как по мне, такая схема — отличный способ применить колечки от сберегаек в простых преобразователях 1.5 — 5 В/3.3 В. Разумеется, хорошо бы еще на выходе поставить стабилизатор (с диодным мостом, разумеется), в простейшем случае — линейный, ту же L78L33. КПД такого решения будет не особо, зато по себестоимости и простоте оно обойдет, наверное, даже китайские изделия.

Ну и напоследок немного хорошей музыки. Изначально я хотел вставить сюда песню тети по имени Vanessa Williams под названием I Fell In, но осознал, что здравомыслящая технически-ориентированная аудитория не одобрит видеоряда того видео, что имеется на YouTube. Потому статью будем завершать под бодрый ритм жанра electroswing, а конкретно — композицию All Night Long за авторством Parov Stelar. P.S. Нет в жизни совершенства — после апгрейда интерфейса WordPress публикация статей неизменно протекает с глюками и приключениями.

Рубрики:Analog circuits
  1. Вв
    03/03/2016 в 04:33

    А как подобная схема будет работать на относительно больших токах 0,5-1,5А и питании 5,5-7,5В и выходе 7-9В ?

    • YS
      04/03/2016 в 10:40

      Я думаю, что так же, как и при относительно малых токах — не очень.🙂 Но по идее, ничто не запрещает ей работать и в таком режиме. Хотя для обсуждаемых мощностей, порядка 10 Вт, я бы уже собрал что-нибудь поприличней, благо решений сейчас полно.

  2. woddy
    22/04/2015 в 09:53

    а КПД какой получается?

    • YS
      22/04/2015 в 10:17

      КПД пока не мерял, ибо нагрузочных тестов пока не устраивал, но не думаю, что он будет поражать воображение. Подозреваю, там максимум 70%. Мощность холостого хода получилась около 50 мВт (почти как один белый 5 мм светодиод).

      Меня радует то, что этот преобразователь запускается уже от 0.5 В.

  3. Vga
    21/04/2015 в 22:47

    Потому я предлагаю свой вариант

    Фу, несимметричное изображение симметричной схемы — куда хуже, чем исходный вариант.

    то есть, индуктивность падает — падает и ЭДС

    Ой ли? Насколько падает индуктивность — настолько же растет dI/dt, так что ЭДС остается той же.
    Но с другой стороны, насыщение сердечника ухудшает связь обмоток, снижая ЭДС ПОС, плюс резко возросший ток через трансформатор выводит транзистор из насыщения (т.е. становится больше, чем h21e*Ib).
    Как бы то ни было, при достижении сердечником насыщения транзистор начинает закрываться и изменение тока в обратную сторону приводит к смене знаков ЭДС, что приводит к форсированию закрытия открытого транзистора и открытию закрытого. В принципе, для расчета достаточно этого факта.

    она будет зависеть от входного напряжения

    Да и от тока нагрузки тоже. И вообще от всего подряд — с другой стороны, поскольку это «электронный трансформатор», частота не особо существенна. Работать будет примерно одинаково независимо от частоты.

    (с диодным мостом, разумеется)

    Лучше двухдиодный выпрямитель. Потерь меньше, деталей тоже (мост, на минуточку, содержит столько же деталей, сколько инвертор!).

    • YS
      22/04/2015 в 10:19

      Гм, да, насчет точного механизма переключения надо бы проконсультироваться у гуру на кафедре…

      А так да, мост сложнее чем преобразователь. С учетом конденсатора в нем аж пять деталей!

  1. 25/04/2015 в 13:20

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s