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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Convertidor de voltaje de capacitor con multiplicación de corriente
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Convertidores de tensión, rectificadores, inversores En un esfuerzo por reducir el tamaño del equipo de radio diseñado, los radioaficionados dan un lugar importante a la miniaturización de la fuente de alimentación. Por lo general, este problema se resuelve utilizando un convertidor de voltaje pulsado. Mientras tanto, el progreso significativo en el campo de los componentes electrónicos le permite crear fuentes de alimentación de tamaño pequeño que funcionan según el llamado principio de "transformador", pero no contienen un transformador. La relativa simplicidad del diseño y la disponibilidad de componentes los hacen atractivos también para los radioaficionados. A baja potencia de la fuente de alimentación de la red, a menudo se usa una versión sin transformador con un condensador de extinción [1]. La desventaja de tal bloque es que la corriente consumida de la red es aproximadamente igual a la salida y se vuelve muy grande con un aumento en la potencia de salida, aunque es principalmente de naturaleza reactiva. Al mismo tiempo, en unidades transformadoras, estas corrientes están conectadas por la relación de transformación. En este sentido, en nuestra opinión, es relevante una unidad de fuente de alimentación de condensador que funciona según el principio de "transformador". Por primera vez, L. M. Braslavsky, del Instituto Electrotécnico de Novosibirsk, propuso una solución técnica de este tipo en 1972, después de haber presentado una solicitud de invención. Resultó ser tan original y no obvio para los especialistas que VNIIGPE llevó a cabo un examen de la solicitud durante seis años completos y solo en 1978 emitió un certificado de derechos de autor. Posteriormente, se patentaron otras soluciones que permitían implementar fuentes de alimentación de condensadores con varias tensiones de salida [2] y su estabilización. Estas soluciones tienen mucho en común con los dispositivos que utilizan condensadores conmutados, que son bastante populares en los circuitos extranjeros [3]. Un desarrollo adicional de esta dirección en nuestro país debe considerarse un convertidor de CA a CC con reducción de voltaje [4]. Un diagrama simplificado de dicho dispositivo se muestra en la Fig. 1. El principio de su funcionamiento es el siguiente. En el momento inicial, la cadena de condensadores C1 - Cn (de la misma capacidad) del dispositivo se descarga. Con una media onda positiva de la tensión de red, los diodos VD1, VD6-VD8 y VD2 se abren, y los diodos VD3-VD5 ... VDn se cierran. En este caso, todos los condensadores de la unidad están conectados en serie y son cargados por la tensión de red hasta su valor máximo. Además, el voltaje en cada uno de los N capacitores, debido a la igualdad de su capacitancia, es N veces menor que el voltaje de amplitud de la red y la capacitancia equivalente conectada a la red también es N veces menor que la capacitancia de un capacitor.
En la segunda mitad del semiciclo positivo, los diodos VD1, VD6-VD8 y VD2 se cierran y la carga eléctrica acumulada por ellos se almacena en los condensadores. Con un semiciclo negativo, los diodos VD1 y VD2 se cierran, por lo que la unidad de condensadores se desconecta de la red. En este momento, es posible conectar una carga de bajo voltaje Rn a la salida de la unidad cerrando los contactos del interruptor electrónico S1. Ahora los diodos VD3-VDn, VD9-VD11 se abren y todos los condensadores cargados están conectados a una carga de bajo voltaje en paralelo, lo que permite obtener un valor promedio de la corriente de descarga de la unidad significativamente más alto que el de carga. Por lo tanto, el bloque realiza una disminución de voltaje mientras aumenta la corriente de salida. Dado que en la primera mitad del semiciclo hay una acumulación de energía en los condensadores, y en la segunda, su retorno, el funcionamiento de la unidad de condensadores tiene un carácter de vaivén pronunciado. Para suavizar las ondulaciones y aumentar el valor de corriente promedio, la capacitancia del capacitor de filtrado Cf debe ser lo suficientemente grande o se usa otra unidad de capacitor similar que opere con la misma carga, pero en oposición de fase con la primera. En el dispositivo considerado, el cierre de los contactos del interruptor S1 se produce a la frecuencia de la red de suministro, lo que reduce significativamente las pérdidas de conmutación en ellos en comparación con las fuentes de alimentación conmutadas y, además, no impone requisitos a los diodos en términos de velocidad No obstante, se mantienen los requisitos para la magnitud de la tensión inversa. Entonces, por ejemplo, los diodos VD1, VD2, VD3 - VDn y VD9 - VD11 deben tener un voltaje inverso mayor que el voltaje máximo de la red y la corriente promedio es 2N veces menor que la corriente de salida. Todos los demás diodos pueden tener un voltaje inverso N veces menor que la red de amplitud. Las desventajas del dispositivo son la falta de aislamiento galvánico de la red y el alto voltaje de operación del transistor, que actúa como un interruptor electrónico S1. Pero la posibilidad de utilizar condensadores de óxido de bajo voltaje de tamaño pequeño y transistores de alto voltaje modernos garantiza la comparabilidad de los indicadores de potencia de las fuentes de alimentación de condensadores con unidades de conmutación y los hace prometedores para una variedad de aplicaciones. Con base en estas ideas, se diseñó un cargador totalmente sin transformador con una potencia de 150 W, cuya masa no supera 1 kg. Le permite implementar el "entrenamiento" de las baterías, un modo en el que la batería se carga durante medio ciclo del voltaje de la red y luego se descarga con una corriente más baja a la resistencia de balasto. El convertidor de voltaje de capacitor descrito está diseñado para cargar baterías de automóviles con una capacidad de hasta 70 Ah, por lo que la corriente de salida promedio máxima del dispositivo debe ser de 7 A. Este valor es consistente con la limitación del componente variable al nivel de 20 ... 30% de la tensión nominal para los condensadores de óxido aplicados. El diagrama esquemático del dispositivo se muestra en la fig. 2. El diodo rectificador VD38, el condensador C13 y los diodos zener VD39, VD40 forman la tensión de alimentación de la unidad de control, que sincroniza el funcionamiento de los transistores de conmutación VT2 y VT3 con la polaridad de la tensión de red y estabiliza la corriente de salida.
El dispositivo funciona de la siguiente manera. Con una media onda positiva de la tensión de red, se cargan un bloque de condensadores C1 - C12 y un condensador de fuente de alimentación de almacenamiento C13. Con media onda negativa, el LED del optoacoplador U1 se enciende y su fototransistor, al abrirse, desvía la unión del emisor del transistor VT1. El transistor VT1 se cierra y, a través de la resistencia R5, conecta la entrada no inversora del amplificador operacional DA1 a la salida de la unidad de condensador. Al mismo tiempo, el propio amplificador operacional cambia y abre los transistores VT3, VT2 y el LED del optoacoplador U2. El amplificador operacional DA1 funciona en modo comparador, por lo que su señal de salida solo puede tomar dos valores: cerca del voltaje de suministro y cero. Si el voltaje en su entrada inversora es mayor que en la no inversora, el voltaje de salida será cercano a cero y el transistor VT3 estará en estado cerrado. De lo contrario, el voltaje en la salida del amplificador operacional está cerca del voltaje de suministro, el transistor VT3 se abre y, a través de la resistencia R10, el transistor VT2 y el optoacoplador U2. La señal de entrada para estabilizar la corriente de salida es el voltaje en la unidad del capacitor. Está relacionado con la carga eléctrica por relaciones conocidas: U=CQ y dU/dt=CdQ/dt=CI. Por lo tanto, el cambio de voltaje en la unidad del capacitor (su disminución) es directamente proporcional a la carga que se le da a la carga, por lo tanto, al estabilizar la carga emitida por la unidad del capacitor durante un solo ciclo de descarga, el dispositivo estabiliza la corriente de salida. Su valor está regulado por la resistencia R7. Después de cerrar el transistor VT1, el voltaje de la unidad de capacitor se suministra a la entrada no inversora del amplificador operacional DA1 y se compara con el ejemplar suministrado a la entrada inversora del divisor R6-R8. Cuando el voltaje en la unidad de capacitor es menor que el del ejemplo, el amplificador operacional DA1 cambia al estado cero y cierra el transistor VT3 y, a través de él (y la carga del dispositivo), el fotodistor optoacoplador U2. Si por alguna razón el voltaje en la unidad del capacitor no ha disminuido al ejemplar (es decir, la carga determinada por la posición del control deslizante de la resistencia R7 no ha entrado en la carga), y el tiempo asignado para la descarga ha terminado, la operación de la unidad para evitar que la tensión de red entre en el dispositivo de salida está organizada de esta manera. El voltaje de la media onda negativa de la red disminuye hasta que el LED del optoacoplador U1 se apaga y, en consecuencia, se cierra su fototransistor. Esto conduce a la apertura del transistor VT1, desviando la entrada no inversora y cambiando el comparador DA1 y, como resultado, cerrando los transistores VT3, VT2 incluso antes de la aparición de una media onda positiva de la tensión de red. Por lo tanto, hay una sincronización forzada de la unidad de estabilización de corriente con la polaridad de la tensión de red. El optoacoplador U2 solo se necesita como mejora de la seguridad y es posible que no esté disponible en las fuentes de alimentación integradas. La carga de la batería lleva un tiempo relativamente largo y requiere cierto control. Por lo tanto, el dispositivo brinda la capacidad de apagar automáticamente la batería que se está cargando a un voltaje de 14,2 ... 14,4 V. La función del elemento de umbral para desconectar una batería completamente cargada la realiza el relé electromagnético K1 (RES10), que opera a un voltaje de aproximadamente 10,5 V. El relé está conectado a los terminales de salida X2 y X3 a través de una resistencia de corte de cable R11. Esta resistencia, junto con el condensador C14, forma un filtro que suprime el componente de CA del voltaje de carga pulsante, pero deja pasar el componente de CC del voltaje de la batería que aumenta lentamente. Por lo tanto, cuando se alcanza el voltaje de umbral, el relé K1 se activa y, al abrir los contactos K1.1, apaga la unidad de condensador y el sistema de control. El devanado del relé permanece energizado por la carga de la batería y, debido a la presencia de histéresis, se apaga cuando el voltaje cae a 11,8 V. Después de eso, la batería se recarga automáticamente. El encendido / apagado del final automático de la carga se realiza mediante el interruptor SA2. El uso del relé de la serie RES10 se debe a su bajo consumo de corriente y, en consecuencia, a la baja corriente de descarga de la batería en el modo de terminación de carga. Los contactos de baja potencia del relé utilizado también reflejan las características del dispositivo descrito asociadas con la naturaleza capacitiva de la carga. Por lo tanto, se produce una interrupción en el circuito de suministro de energía de la unidad de capacitor sin chispas. El uso de dos fusibles de red (FU1, FU2) y un interruptor SA1 de dos secciones está asociado con mayores requisitos de seguridad eléctrica debido a la falta de aislamiento galvánico del dispositivo de la red. La apariencia y algunas características de diseño del cargador sin transformador se ilustran en la Fig. 3. El cuerpo del dispositivo está hecho de dos placas de aluminio en forma de U conectadas con tornillos. En su pared frontal hay un indicador de encendido (HL1), un amperímetro PA1 para monitorear la corriente de carga y los enchufes-abrazaderas de salida X2, X3. Los interruptores SA1, SA2 (interruptores de palanca), los trimmers R7, R11 y los fusibles de red se encuentran en la pared trasera de la caja. La colocación de resistencias de sintonización allí se debe a la presencia de un sistema para estabilizar la corriente de carga, por lo tanto, cuando se opera en un garaje, solo es necesario configurar el valor de la corriente de carga y el umbral para el final de carga antes de la operación .
El optoacoplador U2 y un potente transistor VT3 están instalados en la parte superior de la carcasa, que tiene orificios de ventilación. El área de enfriamiento de sus disipadores de calor es de aproximadamente 20 cm2. Los disipadores de calor se fijan a la caja con tornillos con casquillos aislantes y arandelas de plástico. La unidad de diodo-condensador se ensambla en una placa de circuito impreso hecha de fibra de vidrio de lámina de un lado, que se monta en bastidores dentro de la caja. En la segunda placa, ubicada debajo de la unidad de condensadores, se montan todas las partes del sistema de control del cargador. Es posible utilizar cualquier condensador de óxido en la unidad de condensador, pero preferiblemente del mismo tipo. En el caso de utilizar capacitores importados, las dimensiones de esta unidad pueden reducirse significativamente. Los diodos del bloque también pueden ser cualquiera, diseñados para la misma corriente y voltaje inverso; incluso los diodos D226B y D7Zh servirán, pero las dimensiones del bloque y su masa aumentarán significativamente. El optoacoplador TO325-12,5-4 será reemplazado por TO125-10 o TO125-12,5 no inferior a la clase 4. En lugar de KP706B (VT3), es posible utilizar transistores de efecto de campo domésticos similares o IGBT importados para la misma corriente y voltaje, y preferiblemente con una resistencia de canal mínima. Al elegir un relé electromagnético (K1), se debe tener en cuenta que la tensión nominal de placa es aproximadamente 1,5 ... 1,7 veces mayor que la tensión de disparo y que la tensión de disparo puede ser algo diferente incluso para relés del mismo lote. Es posible utilizar relés RES9, RES22, RES32 y otros con un consumo de corriente suficientemente bajo, para una tensión de operación en el rango de 8 ... contactos de relé "chatter" y falsas alarmas. Ajuste el dispositivo solo si hay fusibles de red. Antes de encenderlo por primera vez, asegúrese de verificar la instalación y las conexiones correctas, ya que los errores pueden provocar la falla de la mayoría de las piezas e incluso la explosión de los condensadores. Como póliza de seguro, la unidad condensadora se puede cubrir con una caja de cartón grueso o madera contrachapada. Un dispositivo correctamente ensamblado comienza a funcionar de inmediato. Básicamente, solo se requiere una selección de resistencias R6 y R8 para ajustar el rango de ajuste de la corriente de carga. Para hacer esto, conecte una batería descargada a la salida de la unidad y, usando una selección de resistencias R6 y R8, configure el rango de regulación de la corriente de carga por la resistencia R1 usando el amperímetro PA7. Si, en la posición inicial del control deslizante de la resistencia R7, la corriente es diferente de cero, entonces debe reducir la resistencia de la resistencia R8. Si la corriente de carga se vuelve igual a cero, no en la posición extrema del motor R7, se debe aumentar la resistencia de esta resistencia. A continuación, coloque el control deslizante de la resistencia R7 en su posición final. Si ahora la corriente de carga es inferior al máximo, habrá que reducir la resistencia de la resistencia R6, y si la supera, se aumentará. Después de eso, coloque el interruptor SA2 en la posición "Modo manual", cargue la batería por completo y controle el voltaje con un voltímetro de CC. Luego desconecte el dispositivo de la red eléctrica, coloque el interruptor de palanca SA2 en el modo "Auto" y el control deslizante de la resistencia R11 en la posición de resistencia máxima. Vuelva a conectar el dispositivo a la red y, al reducir la resistencia de la resistencia R11, logre un funcionamiento claro del relé K1: el dispositivo está listo para funcionar. Al configurar y operar el cargador, debe recordar que no hay aislamiento galvánico de la red eléctrica. Por lo tanto, puede conectarlo y desconectarlo de la batería solo cuando el cable de alimentación esté desconectado de la red eléctrica. El cargador descrito es uno de los ejemplos específicos del uso de un convertidor de voltaje de capacitor. En otros casos, debe tenerse en cuenta que el valor efectivo de su voltaje de salida es de aproximadamente 12 V y el valor de amplitud es cercano a 24 V. Por lo tanto, es más conveniente usar dos unidades de condensadores para alimentar dispositivos electrónicos, uno de los cuales opera desde media onda positiva, y la segunda desde negativa de la tensión de red. Las salidas de ambos bloques deben combinarse y trabajar para una carga común. Los bloques en sí son casi idénticos. Se diferencian solo en su conexión a los cables de la red que transportan corriente: donde el primer bloque está conectado por cátodos de diodo, el segundo está conectado por ánodos. Esto le permite obtener más potencia de salida con una disminución significativa de la capacitancia de los condensadores de filtro. El voltaje de salida del dispositivo descrito está determinado por la cantidad de capacitores en la batería y se puede establecer un voltaje más bajo en pasos bastante pequeños. La salida del convertidor descrito puede considerarse formalmente no conectada a la red, ya que el transistor VT3 y el optoacoplador U2 están cerrados durante un medio ciclo de la red, y los diodos VD3 y VD4 están cerrados durante el otro. Sin embargo, no puede confiar en el hecho de que tocar los terminales de salida es seguro. Cualquiera de los elementos mencionados anteriormente puede fallar, no se notará desde el punto de vista del funcionamiento del convertidor, pero uno de los cables de salida estará conectado a la red. Por lo tanto, no puede instalar, por ejemplo, el diodo VD4 y el optoacoplador U2; el dispositivo funcionará normalmente sin ellos. Sobre la estabilización de la corriente de salida. La corriente de salida se apaga en el momento en que el voltaje en la unidad del condensador disminuye al valor establecido por la resistencia R7, y el voltaje inicial en la unidad es proporcional al voltaje de la red. Como mostraron los autores, la corriente de salida es proporcional a la diferencia entre estos voltajes, por lo que su estabilización se lleva a cabo solo cuando cambia la carga. Las fluctuaciones en el voltaje de la red afectan la corriente de salida, con un cambio relativo en la corriente de salida aproximadamente el doble del cambio relativo en el voltaje de la red. El dispositivo de relé propuesto por los autores para apagar el convertidor al final de la carga de la batería no puede tener una histéresis de voltaje tan estrecha, como se indica en el artículo, ya que para el relé RES-10, la corriente de liberación es aproximadamente siete veces menor que la corriente de viaje. Para obtener la histéresis requerida, es necesario utilizar un relé con una gran cantidad de contactos. Cuando se dispara, debe introducir en serie con R11 una resistencia variable adicional, que establece la tensión de liberación del relé. Literatura
Autor: N.Kazakov, A.Petrov, Volgogrado
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Comentarios sobre el artículo: Alexey No entendí una cosa, en el circuito hay 12 condensadores a 2200 mF a 25 voltios, si pones 2200 mF a 35 voltios, entonces 10 piezas. Y si a 50 voltios, ¿se puede limitar al octavo? entiendo bien?
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