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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Convertitore di tensione del condensatore con moltiplicazione della corrente
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Convertitori di tensione, raddrizzatori, inverter Nel tentativo di ridurre le dimensioni delle apparecchiature radio in fase di progettazione, i radioamatori prestano particolare attenzione alla miniaturizzazione dell'alimentazione. Questo problema viene solitamente risolto utilizzando un convertitore di tensione a impulsi. Nel frattempo, progressi significativi nel campo dei componenti elettronici consentono di creare alimentatori di piccole dimensioni che funzionano secondo il cosiddetto principio del "trasformatore", ma non contengono un trasformatore. La relativa semplicità del design e la disponibilità dei componenti li rendono attraenti per i radioamatori. Negli alimentatori di rete a bassa potenza viene spesso utilizzata una versione senza trasformatore con condensatore di estinzione [1]. Lo svantaggio di tale unità è che la corrente consumata dalla rete è approssimativamente uguale alla corrente di uscita e, all'aumentare della potenza di uscita, diventa molto grande, sebbene sia principalmente di natura reattiva. Allo stesso tempo, nei blocchi di trasformatori queste correnti sono collegate da un rapporto di trasformazione. A questo proposito, a nostro avviso, sembra rilevante un alimentatore a condensatore funzionante secondo il principio del “trasformatore”. Per la prima volta, una tale soluzione tecnica fu proposta da L. M. Braslavsky dell'Istituto elettrotecnico di Novosibirsk nel 1972, quando presentò una domanda di invenzione. Si è rivelato così originale e non ovvio per gli specialisti che VNIIGPE ha effettuato un esame della domanda per sei anni interi e solo nel 1978 ha rilasciato un certificato d'autore. Successivamente furono brevettate altre soluzioni che permisero di realizzare alimentatori a condensatori con più tensioni di uscita [2] e la loro stabilizzazione. Queste soluzioni hanno molto in comune con i dispositivi che utilizzano condensatori commutati, che sono piuttosto popolari nella progettazione di circuiti esterni [3]. Un ulteriore sviluppo di questa direzione nel nostro paese dovrebbe essere considerato un convertitore CA-CC con riduzione della tensione [4]. Uno schema semplificato di un tale dispositivo è mostrato in Fig. 1. Il principio del suo funzionamento è il seguente. Nel momento iniziale, la catena di condensatori C1 - Cn (della stessa capacità) del dispositivo è scarica. Con una semionda positiva della tensione di rete i diodi VD1, VD6-VD8 e VD2 si aprono e i diodi VD3-VD5...VDn si chiudono. In questo caso, tutti i condensatori del blocco sono collegati in serie e vengono caricati dalla tensione di rete al suo valore di ampiezza. Inoltre, la tensione su ciascuno degli N condensatori, a causa dell'uguaglianza della loro capacità, è N volte inferiore all'ampiezza della tensione della rete, e anche la capacità equivalente collegata alla rete è N volte inferiore alla capacità di un condensatore .
Nella seconda metà del semiciclo positivo i diodi VD1, VD6-VD8 e VD2 si chiudono e la carica elettrica da essi accumulata viene immagazzinata sui condensatori. Durante un semiciclo negativo, i diodi VD1 e VD2 si chiudono, a seguito della quale l'unità condensatore viene disconnessa dalla rete. In questo momento è possibile collegare un carico a bassa tensione Rí all'uscita dell'unità chiudendo i contatti dell'interruttore elettronico S1. Ora i diodi VD3-VDn, VD9-VD11 si aprono e tutti i condensatori carichi sono collegati al carico a bassa tensione in parallelo, il che consente di ottenere dall'unità un valore medio della corrente di scarica significativamente superiore alla corrente di carica. Pertanto, l'unità riduce la tensione aumentando contemporaneamente la corrente di uscita. Poiché nella prima metà del semiciclo l'energia viene accumulata sui condensatori e nella seconda metà viene rilasciata, il funzionamento dell'unità condensatore è chiaramente di natura push-pull. Per attenuare le ondulazioni e aumentare il valore medio della corrente, la capacità del condensatore di filtro Cf deve essere sufficientemente grande oppure è necessario utilizzare un'altra unità condensatrice simile, funzionante allo stesso carico, ma in antifase con la prima. Nel dispositivo in esame, i contatti dell'interruttore S1 sono chiusi alla frequenza della rete di alimentazione, il che riduce significativamente le perdite di commutazione su di essi rispetto agli alimentatori a commutazione e, inoltre, non impone requisiti di prestazione ai diodi. Tuttavia, rimangono i requisiti per la tensione inversa. Quindi, ad esempio, i diodi VD1, VD2, VD3 - VDn e VD9 - VD11 devono avere una tensione inversa superiore alla tensione di ampiezza della rete e una corrente media 2N volte inferiore alla corrente di uscita. Tutti gli altri diodi possono avere una tensione inversa N volte inferiore all'ampiezza della tensione di rete. Gli svantaggi del dispositivo sono la mancanza di isolamento galvanico dalla rete e l'elevata tensione operativa del transistor, che svolge la funzione dell'interruttore elettronico S1. Ma la possibilità di utilizzare condensatori all'ossido di bassa tensione di piccole dimensioni e moderni transistor ad alta tensione garantisce che le caratteristiche di potenza degli alimentatori a condensatore siano paragonabili alle unità di commutazione e rende il loro utilizzo promettente per una varietà di applicazioni. Sulla base di queste idee è stato progettato un caricabatterie completamente senza trasformatore con una potenza di 150 W, la cui massa non supera 1 kg. Consente di implementare l'addestramento delle batterie, una modalità in cui la batteria viene caricata durante un semiciclo della tensione di rete e quindi scaricata con una corrente inferiore al resistore di zavorra. Il convertitore di tensione del condensatore descritto è progettato per caricare batterie per auto con una capacità fino a 70 Ah, quindi la corrente di uscita media massima del dispositivo dovrebbe essere 7 A. Questo valore è coerente con la limitazione della componente variabile al livello di 20 ...30% della tensione nominale dei condensatori all'ossido utilizzati. Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in Fig. 2. Il diodo raddrizzatore VD38, il condensatore C13 e i diodi zener VD39, VD40 formano la tensione di alimentazione dell'unità di controllo, che sincronizza il funzionamento dei transistor di commutazione VT2 e VT3 con la polarità della tensione di rete e stabilizza la corrente di uscita.
Il dispositivo funziona come segue. Con una semionda positiva della tensione di rete, vengono caricati il blocco di condensatori C1 - C12 e il condensatore di accumulo dell'alimentazione C13. Quando la semionda è negativa, il LED del fotoaccoppiatore U1 si accende e il suo fototransistor, aprendosi, devia la giunzione dell'emettitore del transistor VT1. Il transistor VT1 si chiude e, attraverso il resistore R5, collega l'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale DA1 all'uscita del blocco condensatore. L'amplificatore operazionale stesso commuta e apre i transistor VT3, VT2 e il LED dell'accoppiatore ottico U2. L'amplificatore operazionale DA1 funziona in modalità comparatore, quindi il suo segnale di uscita può assumere solo due valori: vicino alla tensione di alimentazione e vicino allo zero. Se la tensione sul suo ingresso invertente è maggiore di quella sull'ingresso non invertente, la tensione di uscita sarà prossima allo zero e il transistor VT3 sarà spento. Altrimenti, la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale è vicina alla tensione di alimentazione, il transistor VT3 si apre e, attraverso il resistore R10, il transistor VT2 e l'accoppiatore ottico U2. Il segnale di ingresso per stabilizzare la corrente di uscita è la tensione sul condensatore. È legato alla carica elettrica dalle note relazioni: U=CQ e dU/dt=CdQ/dt=CI. Pertanto, la variazione di tensione sul condensatore (la sua diminuzione) è direttamente proporzionale alla carica ceduta al carico, pertanto, stabilizzando la carica data dal condensatore durante un singolo ciclo di scarica, il dispositivo stabilizza la corrente di uscita. Il suo valore è regolato dal resistore R7. Dopo aver chiuso il transistor VT1, la tensione dal blocco condensatore viene fornita all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale DA1 e confrontata con quella standard fornita all'ingresso invertente dal divisore R6-R8. Quando la tensione sul blocco condensatore diventa inferiore a quella esemplare, l'amplificatore operazionale DA1 passa allo stato zero e chiude il transistor VT3 e, attraverso di esso (e il carico del dispositivo), il fotodinistore dell'accoppiatore ottico U2. Se per qualche motivo la tensione sul condensatore non è scesa al livello esemplare (vale a dire, la carica determinata dalla posizione del cursore del resistore R7 non è stata trasferita al carico) e il tempo assegnato per la scarica è scaduto, il l'unità funzionerà per impedire che la tensione di rete raggiunga l'uscita. Il dispositivo è organizzato in questo modo. La tensione della semionda negativa della rete diminuisce finché il LED del fotoaccoppiatore U1 non si spegne e, di conseguenza, il suo fototransistor si chiude. Ciò porta all'apertura del transistor VT1, alla deviazione dell'ingresso non invertente e del comparatore di commutazione DA1 e, di conseguenza, alla chiusura dei transistor VT3, VT2 anche prima della comparsa di una semionda positiva della tensione di rete. Pertanto, esiste una sincronizzazione forzata dell'unità di stabilizzazione della corrente con la polarità della tensione di rete. Il fotoaccoppiatore U2 è necessario solo come funzionalità di sicurezza e potrebbe non essere presente negli alimentatori integrati. La ricarica della batteria richiede un tempo relativamente lungo e richiede un certo controllo. Pertanto, il dispositivo offre la possibilità di spegnere automaticamente la batteria in carica quando la sua tensione è 14,2...14,4 V. La funzione dell'elemento soglia per lo spegnimento di una batteria completamente carica viene eseguita dal relè elettromagnetico K1 (RES10), che funziona ad una tensione di circa 10,5 V. Il relè è collegato ai terminali di uscita X2 e X3 tramite il resistore di sintonia del filo R11. Questo resistore, insieme al condensatore C14, forma un filtro che sopprime la componente alternata della tensione di carica pulsante, ma lascia passare la componente continua che aumenta lentamente della tensione della batteria. Pertanto, quando viene raggiunta la tensione di soglia, il relè K1 si attiva e, utilizzando i contatti di apertura K1.1, toglie alimentazione al gruppo condensatore e al sistema di controllo. L'avvolgimento del relè stesso rimane sotto la tensione della batteria in carica e, a causa della presenza di isteresi, si spegne quando la tensione scende a 11,8 V. Dopodiché la batteria viene ricaricata automaticamente. L'attivazione/disattivazione della modalità di fine carica automatica viene effettuata utilizzando l'interruttore SA2. L'utilizzo del relè della serie RES10 è dovuto al suo basso consumo di corrente e, di conseguenza, alla bassa corrente di scarica della batteria nella modalità di arresto della carica. Anche i contatti a bassa potenza del relè utilizzato rispecchiano le caratteristiche del dispositivo descritto legate alla natura capacitiva del carico. Pertanto il circuito di alimentazione dell'unità condensatore si rompe senza produrre scintille. L'utilizzo di due fusibili di rete (FU1, FU2) e di un interruttore a due sezioni SA1 è associato a maggiori requisiti di sicurezza elettrica a causa della mancanza di isolamento galvanico del dispositivo dalla rete. L'aspetto e alcune caratteristiche di progettazione di un caricabatterie senza trasformatore sono illustrati in Fig. 3. Il corpo del dispositivo è costituito da due piastre di alluminio a forma di U collegate tramite viti. Sulla parete frontale si trova un indicatore di alimentazione (HL1), un amperometro PA1 per il monitoraggio della corrente di carica e le prese di uscita X2, X3. Gli interruttori SA1, SA2 (interruttori a levetta), i resistori di regolazione R7, R11 e i fusibili di rete si trovano sulla parete posteriore della custodia. Il posizionamento delle resistenze di regolazione è dovuto alla presenza di un sistema di stabilizzazione della corrente di carica, pertanto, quando si opera in un garage, è sufficiente impostare il valore della corrente di carica e la soglia di fine carica solo una volta prima di iniziare il funzionamento.
Il fotoaccoppiatore U2 e il potente transistor VT3 sono installati nella parte superiore dell'alloggiamento, dotato di fori di ventilazione. L'area di raffreddamento dei loro dissipatori di calore è di circa 20 cm 2 . Il fissaggio dei dissipatori al corpo avviene tramite viti con boccole isolanti e rondelle in plastica. L'unità diodo-condensatore è assemblata su un circuito stampato in fibra di vetro a un lato, montato su rack all'interno dell'alloggiamento. Tutte le parti del sistema di controllo del caricatore sono montate sulla seconda scheda, situata sotto l'unità condensatore. Nel blocco condensatori è possibile utilizzare qualsiasi condensatore all'ossido, ma preferibilmente un tipo. Se vengono utilizzati condensatori importati, le dimensioni di questa unità possono essere notevolmente ridotte. I diodi del blocco possono anche essere qualsiasi, progettati per la stessa corrente e tensione inversa: andranno bene anche i diodi D226B e D7Zh, ma le dimensioni del blocco e il suo peso aumenteranno in modo significativo. Sostituiremo il fotoaccoppiatore TO325-12,5-4 con un TO125-10 o TO125-12,5 almeno di classe 4. Invece di KP706B (VT3), è possibile utilizzare transistor ad effetto di campo domestici simili o IGBT importati per la stessa corrente e tensione, preferibilmente con una resistenza di canale minima. Quando si sceglie un relè elettromagnetico (K1), è necessario tenere conto che la tensione nominale di targa è circa 1,5...1,7 volte superiore alla tensione di esercizio e che la tensione di esercizio può essere leggermente diversa anche per relè dello stesso lotto . È possibile utilizzare i relè RES9, RES22, RES32 e altri con un consumo di corrente sufficientemente basso per una tensione operativa compresa tra 8 e 12 V. In questo caso, potrebbe essere necessario selezionare un resistore R11 e un condensatore C14 per sopprimere efficacemente la componente variabile e prevenire il "rimbalzo" dei contatti del relè e i falsi allarmi. Regolare l'apparecchio solo se sono presenti i fusibili di rete. Prima di accendere per la prima volta, assicurati di controllare la corretta installazione e i collegamenti, poiché gli errori possono portare al guasto della maggior parte dei componenti e persino all'esplosione dei condensatori. Come polizza assicurativa, il condensatore può essere coperto con una scatola di cartone spesso o compensato. Un dispositivo correttamente assemblato inizia a funzionare immediatamente. Fondamentalmente avrai bisogno solo di una selezione di resistori R6 e R8 per regolare l'intervallo di regolazione della corrente di carica. Per fare ciò, collegare una batteria scarica all'uscita dell'unità e, utilizzando una selezione di resistori R6 e R8, impostare l'intervallo di regolazione della corrente di carica utilizzando l'amperometro PA1 con resistore R7. Se nella posizione iniziale del cursore del resistore R7 la corrente è diversa da zero, è necessario ridurre la resistenza del resistore R8. Se la corrente di carica diventa zero nella posizione estrema del cursore R7, la resistenza di questo resistore dovrebbe essere aumentata. Successivamente, imposta il cursore del resistore R7 nella sua posizione finale. Se la corrente di carica risulta ora inferiore al massimo, la resistenza del resistore R6 dovrà essere ridotta e, se la supera, dovrà essere aumentata. Successivamente, impostando l'interruttore SA2 sulla posizione "Modalità manuale", portare la batteria a carica completa, monitorando la tensione su di essa con un voltmetro CC. Quindi scollegare il dispositivo dalla rete, spostare l'interruttore a levetta SA2 sulla modalità "Auto" e il cursore del resistore R11 sulla posizione di resistenza massima. Ricollegare il dispositivo alla rete e diminuendo la resistenza del resistore R11, ottenere un funzionamento chiaro del relè K1: il dispositivo è pronto per il funzionamento. Quando si imposta e si utilizza il caricabatterie, è necessario ricordare che non esiste isolamento galvanico dalla rete. Pertanto è possibile collegarlo e scollegarlo dalla batteria solo quando il cavo di alimentazione è scollegato dalla rete elettrica. Il caricabatterie descritto è uno degli esempi specifici di utilizzo di un convertitore di tensione del condensatore. In altri casi, va tenuto presente che il valore efficace della sua tensione di uscita è di circa 12 V e l'ampiezza è vicina a 24 V. Pertanto, per alimentare dispositivi elettronici, è più consigliabile utilizzare due blocchi di condensatori, uno di cui funziona dalla tensione di rete a semionda positiva e la seconda dalla tensione di rete a semionda negativa. Le uscite di entrambi i blocchi devono essere combinate e funzionare su un carico comune. I blocchi stessi sono quasi identici. Differiscono solo per la connessione ai cavi di rete che trasportano corrente: dove il primo blocco è collegato da diodi catodici, il secondo è collegato da anodi. Ciò consente di ottenere una maggiore potenza di uscita con una significativa riduzione della capacità dei condensatori di filtro. La tensione di uscita del dispositivo descritto è determinata dal numero di condensatori nella batteria e con tensioni inferiori può essere impostata con incrementi abbastanza piccoli. L'uscita del convertitore descritto può essere formalmente considerata non connessa alla rete, poiché durante un semiciclo della rete il transistor VT3 e il fotoaccoppiatore U2 sono chiusi e durante l'altro i diodi VD3 e VD4 sono chiusi. Tuttavia, non si può dare per scontato che toccare i terminali di uscita sia sicuro. Uno qualsiasi degli elementi sopra menzionati potrebbe guastarsi, ciò non sarà evidente dal punto di vista del funzionamento del convertitore, ma uno dei fili di uscita sarà collegato alla rete. Pertanto, non è necessario installare, ad esempio, il diodo VD4 e il fotoaccoppiatore U2: il dispositivo funzionerà normalmente senza di essi. Informazioni sulla stabilizzazione della corrente di uscita. La corrente di uscita viene disattivata nel momento in cui la tensione sul blocco condensatore diminuisce al valore specificato dal resistore R7 e la tensione iniziale sul blocco è proporzionale alla tensione di rete. Come hanno dimostrato gli autori, la corrente di uscita è proporzionale alla differenza tra queste tensioni, quindi la sua stabilizzazione avviene solo quando cambia il carico. Le fluttuazioni della tensione di linea influiscono sulla corrente di uscita, con la variazione relativa della corrente di uscita pari a circa il doppio della variazione relativa della tensione di linea. Il dispositivo relè proposto dagli autori per spegnere il convertitore nel momento in cui la batteria viene caricata non può avere un'isteresi di tensione così stretta, come indicato nell'articolo, poiché per il relè RES-10 la corrente di rilascio è circa sette volte inferiore alla corrente di funzionamento. Per ottenere l'isteresi richiesta è necessario utilizzare un relè con un numero elevato di contatti. Quando attivato, deve introdurre un resistore variabile aggiuntivo in serie con R11, che imposta la tensione di rilascio del relè. Letteratura
Autore: N.Kazakov, A.Petrov, Volgograd
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Commenti sull'articolo: Alexey Non ho capito una cosa, nel circuito ci sono 12 condensatori a 2200 mF a 25 volt, se metti 2200 mF a 35 volt, quindi 10 pezzi. E se a 50 volt, può essere limitato all'8? ho capito bene?
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