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無線電子工学および電気工学の百科事典 電流増倍機能を備えたコンデンサ電圧コンバータ
無線電子工学と電気工学の百科事典 / 電圧変換器、整流器、インバーター 設計する無線機器のサイズを縮小するために、アマチュア無線家は電源の小型化に重要な注意を払っています。この問題は通常、パルス電圧コンバータを使用して解決されます。一方、電子部品の分野の大幅な進歩により、いわゆる「トランス」原理で動作する、トランスを含まない小型の電源を作成することが可能になりました。設計が比較的シンプルでコンポーネントが入手しやすいため、アマチュア無線家にとって魅力的です。 低電力ネットワーク電源では、クエンチング コンデンサを備えたトランスレス バージョンがよく使用されます [1]。このようなユニットの欠点は、ネットワークから消費される電流が出力電流とほぼ等しく、本質的には主に無効であるにもかかわらず、出力電力が増加すると電流が非常に大きくなることです。同時に、変圧器ブロックでは、これらの電流は変圧比によって接続されます。この点に関して、私たちの意見では、「トランス」原理で動作するコンデンサ電源が適切であると思われます。 このような技術的解決策は、1972 年にノボシビルスク電気技術研究所の L. M. Braslavsky によって発明を出願したときに初めて提案されました。これは専門家にとって非常に独創的で自明ではないことが判明したため、VNIIGPE は丸 1978 年間にわたって申請の審査を実施し、2 年になって初めて著者の証明書を発行しました。その後、複数の出力電圧 [3] とその安定化を備えたコンデンサ電源の実装を可能にする他のソリューションの特許が取得されました。これらのソリューションは、海外の回路設計で非常に一般的であるスイッチト キャパシタを使用するデバイスと多くの共通点があります [4]。我が国におけるこの方向のさらなる発展としては、電圧を低減した AC/DC コンバータが考慮されるべきです [XNUMX]。 このようなデバイスの簡略図を図に示します。 1. その動作原理は次のとおりです。最初の瞬間に、デバイスの一連のコンデンサ C1 ～ Cn (同じ容量) が放電されます。主電源電圧の正の半波では、ダイオード VD1、VD6 ～ VD8、および VD2 が開き、ダイオード VD3 ～ VD5...VDn が閉じます。この場合、ブロックのすべてのコンデンサは直列に接続され、主電源電圧によってその振幅値まで充電されます。さらに、N 個のコンデンサのそれぞれの電圧は、それらの静電容量が等しいため、ネットワークの振幅電圧の N 倍小さくなり、ネットワークに接続された等価静電容量も XNUMX つのコンデンサの容量の N 倍小さくなります。 。
正の半サイクルの後半では、ダイオード VD1、VD6 ～ VD8、および VD2 が閉じ、それらによって蓄積された電荷がコンデンサに蓄積されます。負の半サイクル中、ダイオード VD1 と VD2 が閉じ、その結果、コンデンサ ユニットがネットワークから切断されます。このとき、電子スイッチS1の接点を閉じることにより、低電圧負荷Rнをユニットの出力に接続することができます。ここで、ダイオード VD3 ～ VDn、VD9 ～ VD11 が開き、充電されたすべてのコンデンサが低電圧負荷に並列に接続されます。これにより、ユニットから充電電流よりも大幅に高い放電電流の平均値を得ることが可能になります。したがって、ユニットは電圧を低下させると同時に出力電流を増加させます。半サイクルの前半ではエネルギーがコンデンサに蓄積され、後半ではエネルギーが放出されるため、コンデンサユニットの動作は本質的に明らかにプッシュプルです。リップルを平滑化し、平均電流値を増加させるには、フィルタ コンデンサ Cf の静電容量を十分に大きくするか、同じ負荷で最初のコンデンサと逆位相で動作する別の同様のコンデンサ ユニットを使用する必要があります。 検討中のデバイスでは、スイッチ S1 の接点が電源ネットワークの周波数で閉じられるため、スイッチング電源と比較してスイッチング損失が大幅に低減され、さらにダイオードに性能要件が課されません。ただし、逆電圧の要件は残ります。したがって、たとえば、ダイオード VD1、VD2、VD3 ～ VDn、および VD9 ～ VD11 の逆電圧はネットワークの振幅電圧より高く、平均電流は出力電流の 2N 分の XNUMX でなければなりません。他のすべてのダイオードは、振幅主電源電圧の N 分の XNUMX の逆電圧を持つことができます。 このデバイスの欠点は、ネットワークからのガルバニック絶縁が欠如していることと、電子スイッチ S1 として機能するトランジスタの動作電圧が高いことです。しかし、小型の低電圧酸化物コンデンサと最新の高電圧トランジスタを使用できるため、コンデンサ電源の電力特性がスイッチングユニットと同等であることが保証され、さまざまなアプリケーションでの使用が有望になります。 これらのアイデアに基づいて、電力 150 W の完全に変圧器のない充電器が設計され、その質量は 1 kg を超えません。これにより、バッテリの「トレーニング」を実装できます。これは、バッテリが主電源電圧の半サイクル中に充電され、その後、より低い電流でバラスト抵抗器に放電されるモードです。 説明したコンデンサ電圧コンバータは、最大 70 Ah の容量を持つ車のバッテリーを充電するように設計されているため、デバイスの最大平均出力電流は 7 A である必要があります。この値は、20 レベルの可変コンポーネントの制限と一致しています。 ...使用する酸化物コンデンサの定格電圧の 30%。 装置の概略図を図に示します。 2. 整流ダイオード VD38、コンデンサ C13、ツェナー ダイオード VD39、VD40 は制御ユニットの電源電圧を形成し、スイッチング トランジスタ VT2 および VT3 の動作をネットワーク電圧の極性と同期させ、出力電流を安定させます。
装置は次のように動作します。主電源電圧の正の半波により、コンデンサ C1 ～ C12 のブロックと電源蓄積コンデンサ C13 が充電されます。半波が負の場合、フォトカプラ U1 の LED がオンになり、そのフォトトランジスタが開き、トランジスタ VT1 のエミッタ接合を分路します。トランジスタ VT1 が閉じ、抵抗 R5 を介してオペアンプ DA1 の非反転入力をコンデンサ ブロックの出力に接続します。オペアンプ自体がスイッチを切り、トランジスタ VT3、VT2、およびフォトカプラ U2 の LED を開きます。 オペアンプ DA1 はコンパレータ モードで動作するため、その出力信号は電源電圧に近い値とゼロに近い値の 3 つの値のみを取ることができます。反転入力の電圧が非反転入力の電圧よりも高い場合、出力電圧はゼロに近くなり、トランジスタ VT3 はオフ状態になります。それ以外の場合、オペアンプの出力の電圧は電源電圧に近くなり、トランジスタ VT10 が開き、抵抗 R2 - トランジスタ VT2 およびフォトカプラ UXNUMX を通過します。 出力電流を安定させるための入力信号は、コンデンサユニットの電圧です。これは、既知の関係: U=CQ および dU/dt=CdQ/dt=CI によって電荷に関連付けられます。したがって、コンデンサブロックの電圧の変化（その減少）は負荷に与えられる電荷に正比例するため、単一の放電サイクル中にコンデンサブロックによって与えられる電荷を安定させることにより、デバイスは出力電流を安定させます。その値は抵抗 R7 によって調整されます。トランジスタ VT1 を閉じた後、コンデンサ ブロックからの電圧がオペアンプ DA1 の非反転入力に供給され、分圧器 R6 ～ R8 から反転入力に供給される標準電圧と比較されます。コンデンサブロックの電圧が例示的な電圧よりも低くなると、オペアンプDA1はゼロ状態に切り替わり、トランジスタVT3を閉じ、それを通して（およびデバイス負荷）フォトカプラU2のフォトディニスタを閉じます。 何らかの理由で、コンデンサユニットの電圧が例示的なレベルまで低下せず（つまり、抵抗器 R7 スライダの位置によって決定される電荷が負荷に転送されなかった場合）、放電に割り当てられた時間が経過した場合、ユニットは主電源電圧が出力に到達するのを防ぐように動作します。 デバイスは次のように構成されています。ネットワークの負の半波の電圧は、フォトカプラ U1 の LED がオフになり、その結果フォトトランジスタが閉じるまで減少します。これにより、トランジスタ VT1 が開き、非反転入力およびスイッチングコンパレータ DA1 が分路され、その結果、主電源電圧の正の半波が現れる前であっても、トランジスタ VT3、VT2 が閉じます。したがって、電流安定化ユニットとネットワーク電圧の極性が強制的に同期されます。 フォトカプラ U2 は安全機能としてのみ必要であり、内蔵電源には存在しない場合があります。 バッテリーの充電には比較的時間がかかり、ある程度の制御が必要です。したがって、このデバイスは、電圧が 14,2 ～ 14,4 V のときに充電中のバッテリーを自動的にオフにする機能を提供します。完全に充電されたバッテリーをオフにするためのしきい値要素の機能は、電磁リレー K1 (RES10) によって実行されます。約 10,5 V の電圧でトリガーされます。リレーはワイヤ同調抵抗器 R2 を介して出力端子 X3 および X11 に接続されています。この抵抗器はコンデンサ C14 とともにフィルタを形成し、脈動充電電圧の交流成分を抑制しますが、バッテリ電圧のゆっくりと増加する直流成分は通過させます。したがって、しきい値電圧に達すると、リレー K1 が作動し、接点 K1.1 を開くことにより、コンデンサ ユニットと制御システムへの電源がオフになります。リレー巻線自体は充電中のバッテリーの電圧以下に留まり、ヒステリシスの存在により、電圧が 11,8 V に低下するとオフになります。その後、バッテリーは自動的に再充電されます。 充電自動終了モードのオン/オフはスイッチSA2で行います。 RES10 シリーズ リレーの使用は、消費電流が低く、その結果、充電停止モードでのバッテリ放電電流が低いためです。使用されるリレーの低電力接点も、負荷の容量性の性質に関連する前述のデバイスの機能を反映しています。したがって、キャパシタユニットの電源回路はスパークせずに破壊される。 1 つの主電源ヒューズ (FU2、FU1) と XNUMX セクション スイッチ SAXNUMX を使用すると、主電源からのデバイスのガルバニック絶縁が不足するため、電気的安全要件が高まります。 トランスレス充電器の外観といくつかの設計上の特徴を図に示します。 3. 装置本体は、U 字型の 1 枚のアルミニウム板をネジで接続して構成されています。正面の壁には、電源インジケータ (HL1)、充電電流を監視するための電流計 PA2、および出力ソケット X3、X1 があります。スイッチ SA2、SA7 (トグル スイッチ)、トリミング抵抗 R11、RXNUMX、および電源ヒューズはケースの後壁にあります。そこにトリミング抵抗が配置されているのは、充電電流安定化システムの存在によるものです。したがって、ガレージ内で操作する場合、操作を開始する前に充電電流の値と充電終了しきい値を XNUMX 回設定するだけで済みます。
フォトカプラ U2 と強力なトランジスタ VT3 は、通気孔のあるハウジング上部に取り付けられています。ヒートシンクの冷却面積は約 20 cm 2 です。ヒートシンクは、絶縁ブッシュとプラスチックワッシャーを備えたネジで本体に固定されています。 ダイオードとコンデンサのユニットは、片面フォイルグラスファイバー製のプリント基板上に組み立てられ、ハウジング内のラックに取り付けられます。充電器制御システムのすべての部品は、コンデンサ ユニットの下にある 2 番目の基板に取り付けられています。 コンデンサブロックには任意の酸化物コンデンサを使用することができるが、好ましくは１種類である。輸入コンデンサを使用すると、このユニットの寸法を大幅に縮小できます。ブロックのダイオードは、同じ電流と逆電圧向けに設計された任意のものを使用できます。ダイオード D226B と D7Zh も使用できますが、ブロックの寸法と重量が大幅に増加します。 TO325-12,5-4 フォトカプラをクラス 125 以上の TO10-125 または TO12,5-4 に置き換えます。 KP706B (VT3) の代わりに、できれば最小限のチャネル抵抗で、同じ電流と電圧に対して同様の国産電界効果トランジスタまたは輸入 IGBT を使用することができます。 電磁リレー (K1) を選択するときは、銘板の定格電圧が動作電圧の約 1,5 ～ 1,7 倍であること、および同じバッチのリレーであっても動作電圧がわずかに異なる可能性があることを考慮する必要があります。 。動作電圧が 9 ～ 22 V の範囲であれば、消費電流が十分に低いリレー RES32、RES8、RES12 などを使用することができます。この場合、抵抗 R11 とコンデンサを選択する必要がある場合があります。 C14 は変動成分を効果的に抑制し、リレー接点の「バウンス」や誤警報を防止します。 電源ヒューズがある場合にのみデバイスを調整してください。初めて電源を入れる前に、取り付けと接続が正しいことを必ず確認してください。エラーが発生すると、ほとんどの部品が故障したり、コンデンサーが爆発したりする可能性があります。保険として、コンデンサーユニットを厚いボール紙やベニヤ板で作った箱で覆うこともできます。 正しく組み立てられたデバイスはすぐに動作を開始します。基本的に、充電電流調整範囲を調整するには、抵抗 R6 と R8 を選択するだけで済みます。これを行うには、放電したバッテリーをユニットの出力に接続し、選択した抵抗 R6 と R8 を使用して、電流計 PA1 と抵抗 R7 を使用して充電電流の調整範囲を設定します。抵抗器 R7 のスライダの初期位置で電流がゼロと異なる場合は、抵抗器 R8 の抵抗を下げる必要があります。 R7 スライダーの極限位置で充電電流がゼロになる場合は、この抵抗の抵抗値を大きくする必要があります。次に、抵抗器 R7 のスライダーを最終位置に設定します。充電電流が最大値未満であることが判明した場合は、抵抗器 R6 の抵抗値を下げる必要があり、それを超える場合は、抵抗器 RXNUMX の抵抗値を増加する必要があります。 この後、スイッチ SA2 を「手動モード」の位置に設定し、DC 電圧計で電圧を監視しながらバッテリーをフル充電します。次に、デバイスをネットワークから切断し、SA2 トグル スイッチを「自動」モードに移動し、R11 抵抗スライダーを最大抵抗の位置に移動します。デバイスをネットワークに再接続し、抵抗器 R11 の抵抗値を下げることによって、リレー K1 が明確に動作するようにします。デバイスは動作の準備が整います。 充電器をセットアップして操作するときは、ネットワークから電気的に絶縁されていないことに留意する必要があります。 したがって、電源コードが主電源から切断されている場合にのみ、バッテリーに接続したりバッテリーから取り外したりできます。 説明した充電器は、コンデンサ電圧コンバータを使用する具体的な例の 12 つです。他の場合では、出力電圧の実効値が約 24 V で、振幅が XNUMX V に近いことに留意する必要があります。したがって、電子デバイスに電力を供給するには、XNUMX つのコンデンサ ブロックと XNUMX つのコンデンサ ブロックを使用することをお勧めします。そのうちの XNUMX つは正の電源電圧で動作し、XNUMX つ目は負の半波主電源電圧で動作します。両方のブロックの出力を結合し、XNUMX つの共通の負荷で動作させる必要があります。ブロック自体はほぼ同じです。それらは、電流が流れるネットワークワイヤへの接続のみが異なります。最初のブロックはダイオードのカソードで接続され、XNUMX 番目のブロックはアノードで接続されます。これにより、フィルタコンデンサの静電容量を大幅に低減しながら、より大きな出力電力を得ることが可能になります。 説明したデバイスの出力電圧はバッテリー内のコンデンサの数によって決まり、より低い電圧ではかなり小さな増分で設定できます。 説明したコンバータの出力は、ネットワークの一方の半サイクルではトランジスタ VT3 とフォトカプラ U2 が閉じ、もう一方の半サイクルではダイオード VD3 と VD4 が閉じるため、形式的にはネットワークに接続されていないと考えることができます。ただし、出力端子に触れても安全であるとは限りません。上記の要素のいずれかが故障する可能性があります。これはコンバータの動作の観点からは目立ちませんが、出力ワイヤの 4 つがネットワークに接続されます。したがって、たとえば、VD2 ダイオードや UXNUMX フォトカプラを取り付ける必要はありません。デバイスはそれらがなくても正常に動作します。 出力電流の安定化について。コンデンサ ブロックの電圧が抵抗 R7 で指定された値まで低下した瞬間に出力電流がオフになり、ブロックの初期電圧はネットワーク電圧に比例します。著者らが示したように、出力電流はこれらの電圧の差に比例するため、負荷が変化した場合にのみ出力電流が安定します。線間電圧の変動は出力電流に影響を与え、出力電流の相対的な変化は線間電圧の相対的な変化の約 XNUMX 倍になります。 バッテリの充電時にコンバータをオフにするために著者が提案したリレー装置は、記事で示されているように、それほど狭い電圧ヒステリシスを持つことはできません。RES-10 リレーの解放電流はリレーの解放電流の約 11 分の XNUMX です。動作電流。必要なヒステリシスを得るには接点数の多いリレーを使用する必要があります。トリガーされると、リレーのリリース電圧を設定する追加の可変抵抗器を RXNUMX と直列に導入する必要があります。 文学
著者：N。カザコフ、A。ペトロフ、ヴォルゴグラード
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