Kondensator-Spannungswandler mit Stromvervielfachung

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter

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Um die Größe der zu entwickelnden Funkgeräte zu reduzieren, legen Funkamateure großen Wert auf die Miniaturisierung der Stromversorgung. Dieses Problem wird üblicherweise mit einem Impulsspannungswandler gelöst. Mittlerweile ermöglichen erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der elektronischen Komponenten die Entwicklung kleiner Netzteile, die nach dem sogenannten „Transformator“-Prinzip arbeiten, aber keinen Transformator enthalten. Die relative Einfachheit des Designs und die Verfügbarkeit von Komponenten machen sie für Funkamateure attraktiv.

Bei Netzstromversorgungen mit geringer Leistung wird häufig eine transformatorlose Variante mit Löschkondensator eingesetzt [1]. Der Nachteil einer solchen Einheit besteht darin, dass der vom Netz aufgenommene Strom ungefähr dem Ausgangsstrom entspricht und mit zunehmender Ausgangsleistung sehr groß wird, obwohl er hauptsächlich reaktiver Natur ist. Gleichzeitig werden diese Ströme in Transformatorblöcken durch ein Übersetzungsverhältnis verbunden. In diesem Zusammenhang erscheint unserer Meinung nach eine Kondensatorstromversorgung nach dem „Transformator“-Prinzip relevant.

Zum ersten Mal wurde eine solche technische Lösung bereits 1972 von L. M. Braslavsky vom Elektrotechnischen Institut Nowosibirsk vorgeschlagen, als er eine Erfindung anmeldete. Es erwies sich als so originell und für Fachleute nicht offensichtlich, dass VNIIGPE den Antrag ganze sechs Jahre lang prüfte und erst 1978 eine Urheberbescheinigung ausstellte. Später wurden weitere Lösungen patentiert, die die Realisierung von Kondensatornetzteilen mit mehreren Ausgangsspannungen [2] und deren Stabilisierung ermöglichten. Diese Lösungen haben viel mit Geräten gemeinsam, die geschaltete Kondensatoren verwenden, die im ausländischen Schaltungsdesign sehr beliebt sind [3]. Eine Weiterentwicklung dieser Richtung in unserem Land sollte als AC-DC-Wandler mit Spannungsreduzierung angesehen werden [4].

Ein vereinfachtes Diagramm eines solchen Geräts ist in Abb. dargestellt. 1. Das Funktionsprinzip ist wie folgt. Zu Beginn wird die Kette der Kondensatoren C1 – Cn (gleicher Kapazität) des Geräts entladen. Bei einer positiven Halbwelle der Netzspannung öffnen die Dioden VD1, VD6-VD8 und VD2 und die Dioden VD3-VD5...VDn schließen. Dabei sind alle Kondensatoren des Blocks in Reihe geschaltet und werden durch die Netzspannung auf ihren Amplitudenwert aufgeladen. Darüber hinaus ist die Spannung an jedem der N Kondensatoren aufgrund der Gleichheit ihrer Kapazität N-mal kleiner als die Amplitudenspannung des Netzwerks, und die an das Netzwerk angeschlossene äquivalente Kapazität ist ebenfalls N-mal kleiner als die Kapazität eines Kondensators .

In der zweiten Hälfte der positiven Halbwelle schließen die Dioden VD1, VD6-VD8 und VD2 und die von ihnen angesammelte elektrische Ladung wird in den Kondensatoren gespeichert. Während einer negativen Halbwelle schließen die Dioden VD1 und VD2, wodurch die Kondensatoreinheit vom Netz getrennt wird. In diesem Moment ist es möglich, eine Niederspannungslast Rн an den Ausgang des Geräts anzuschließen, indem die Kontakte des elektronischen Schalters S1 geschlossen werden. Jetzt öffnen die Dioden VD3-VDn, VD9-VD11 und alle geladenen Kondensatoren werden parallel an die Niederspannungslast angeschlossen, wodurch es möglich ist, vom Gerät einen Durchschnittswert des Entladestroms zu erhalten, der deutlich höher ist als der Ladestrom. Dadurch reduziert das Gerät die Spannung und erhöht gleichzeitig den Ausgangsstrom. Da in der ersten Hälfte der Halbperiode Energie in den Kondensatoren gespeichert und in der zweiten Hälfte wieder abgegeben wird, ist der Betrieb der Kondensatoreinheit eindeutig Push-Pull-Charakter. Um Welligkeiten zu glätten und den durchschnittlichen Stromwert zu erhöhen, muss die Kapazität des Filterkondensators Cf groß genug sein oder es muss eine andere ähnliche Kondensatoreinheit verwendet werden, die mit derselben Last, jedoch in Gegenphase zur ersten, arbeitet.

Bei dem betrachteten Gerät werden die Kontakte des Schalters S1 mit der Frequenz des Versorgungsnetzes geschlossen, was die Schaltverluste an ihnen im Vergleich zu Schaltnetzteilen deutlich reduziert und darüber hinaus keine Leistungsanforderungen an Dioden stellt. Die Anforderungen an die Sperrspannung bleiben jedoch bestehen. So müssen beispielsweise die Dioden VD1, VD2, VD3 – VDn und VD9 – VD11 eine Sperrspannung haben, die höher als die Amplitudenspannung des Netzwerks ist, und einen durchschnittlichen Strom, der 2N-mal kleiner als der Ausgangsstrom ist. Alle anderen Dioden können eine Sperrspannung haben, die N-mal kleiner ist als die Amplitude der Netzspannung.

Die Nachteile des Gerätes sind die fehlende galvanische Trennung vom Netz und die hohe Betriebsspannung des Transistors, der die Funktion des elektronischen Schalters S1 übernimmt. Aber die Möglichkeit, kleine Niederspannungs-Oxidkondensatoren und moderne Hochspannungstransistoren zu verwenden, sorgt dafür, dass die Leistungseigenschaften von Kondensatornetzteilen mit denen von Schaltgeräten vergleichbar sind, und macht ihren Einsatz für eine Vielzahl von Anwendungen vielversprechend.

Basierend auf diesen Ideen wurde ein völlig transformatorloses Ladegerät mit einer Leistung von 150 W konzipiert, dessen Masse 1 kg nicht überschreitet. Es ermöglicht das „Training“ von Batterien – ein Modus, bei dem die Batterie während einer Halbperiode der Netzspannung geladen und dann mit einem geringeren Strom zum Ballastwiderstand entladen wird.

Der beschriebene Kondensator-Spannungswandler ist zum Laden von Autobatterien mit einer Kapazität von bis zu 70 Ah ausgelegt, daher sollte der maximale durchschnittliche Ausgangsstrom des Gerätes 7 A betragen. Dieser Wert steht im Einklang mit der Begrenzung des variablen Anteils auf das Niveau von 20 ...30 % der Nennspannung der verwendeten Oxidkondensatoren.

Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. dargestellt. 2. Gleichrichterdiode VD38, Kondensator C13 und Zenerdioden VD39, VD40 bilden die Versorgungsspannung der Steuereinheit, die den Betrieb der Schalttransistoren VT2 und VT3 mit der Polarität der Netzspannung synchronisiert und den Ausgangsstrom stabilisiert.

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Das Gerät funktioniert wie folgt. Bei einer positiven Halbwelle der Netzspannung werden der Block der Kondensatoren C1 – C12 und der Versorgungsspeicherkondensator C13 aufgeladen. Wenn die Halbwelle negativ ist, schaltet sich die LED des Optokopplers U1 ein und sein sich öffnender Fototransistor überbrückt den Emitterübergang des Transistors VT1. Der Transistor VT1 schließt und verbindet über den Widerstand R5 den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA1 mit dem Ausgang des Kondensatorblocks. Der Operationsverstärker selbst schaltet und öffnet die Transistoren VT3, VT2 und die LED des Optokopplers U2.

Der Operationsverstärker DA1 arbeitet im Komparatormodus, sodass sein Ausgangssignal nur zwei Werte annehmen kann – nahe der Versorgungsspannung und nahe Null. Wenn die Spannung an seinem invertierenden Eingang größer ist als am nichtinvertierenden Eingang, liegt die Ausgangsspannung nahe Null und der Transistor VT3 befindet sich im ausgeschalteten Zustand. Andernfalls liegt die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers nahe an der Versorgungsspannung, der Transistor VT3 öffnet und über den Widerstand R10 - Transistor VT2 und Optokoppler U2.

Das Eingangssignal zur Stabilisierung des Ausgangsstroms ist die Spannung an der Kondensatoreinheit. Sie hängt mit der elektrischen Ladung über die bekannten Beziehungen zusammen: U=CQ und dU/dt=CdQ/dt=CI. Somit ist die Spannungsänderung am Kondensatorblock (seine Abnahme) direkt proportional zur an die Last abgegebenen Ladung. Durch die Stabilisierung der vom Kondensatorblock während eines einzelnen Entladezyklus abgegebenen Ladung stabilisiert das Gerät daher den Ausgangsstrom. Sein Wert wird durch den Widerstand R7 reguliert. Nach dem Schließen des Transistors VT1 wird die Spannung vom Kondensatorblock an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA1 angelegt und mit der Standardspannung verglichen, die vom Teiler R6-R8 an den invertierenden Eingang geliefert wird. Wenn die Spannung am Kondensatorblock unter den beispielhaften Wert sinkt, schaltet der Operationsverstärker DA1 in den Nullzustand und schließt den Transistor VT3 und über ihn (und die Gerätelast) den Fotodinistor des Optokopplers U2.

Wenn die Spannung an der Kondensatoreinheit aus irgendeinem Grund nicht auf den beispielhaften Wert gesunken ist (d. h. die durch die Position des Widerstandsschiebers R7 bestimmte Ladung wurde nicht auf die Last übertragen) und die für die Entladung vorgesehene Zeit abgelaufen ist, wird die Das Gerät verhindert, dass die Netzspannung den Ausgang erreicht. Das Gerät ist wie folgt organisiert. Die Spannung der negativen Halbwelle des Netzwerks nimmt ab, bis die LED des Optokopplers U1 erlischt und folglich sein Fototransistor schließt. Dies führt dazu, dass der Transistor VT1 geöffnet wird, der nichtinvertierende Eingangs- und Schaltkomparator DA1 überbrückt wird und dadurch die Transistoren VT3, VT2 geschlossen werden, noch bevor eine positive Halbwelle der Netzspannung auftritt. Somit erfolgt eine Zwangssynchronisation der Stromstabilisierungseinheit mit der Polarität der Netzspannung.

Der Optokoppler U2 wird nur als Sicherheitsmerkmal benötigt und darf in eingebauten Netzteilen nicht vorhanden sein.

Das Aufladen des Akkus dauert relativ lange und erfordert eine gewisse Kontrolle. Daher bietet das Gerät die Möglichkeit, den zu ladenden Akku automatisch abzuschalten, wenn die Spannung an ihm 14,2...14,4 V beträgt. Die Funktion des Schwellenwertelements zum Abschalten eines vollständig geladenen Akkus übernimmt das elektromagnetische Relais K1 (RES10). ), das bei einer Spannung von etwa 10,5 V arbeitet. Das Relais ist über den Drahtabstimmungswiderstand R2 mit den Ausgangsklemmen X3 und X11 verbunden. Dieser Widerstand bildet zusammen mit dem Kondensator C14 ein Filter, das den Wechselanteil der pulsierenden Ladespannung unterdrückt, den langsam ansteigenden Gleichanteil der Batteriespannung jedoch durchlässt. Daher wird bei Erreichen der Schwellenspannung das Relais K1 aktiviert und über die Öffnungskontakte K1.1 die Stromversorgung der Kondensatoreinheit und des Steuersystems abgeschaltet. Die Relaiswicklung selbst bleibt unter der Spannung der zu ladenden Batterie und schaltet aufgrund der vorhandenen Hysterese ab, wenn die Spannung auf 11,8 V abfällt. Danach wird die Batterie automatisch wieder aufgeladen.

Das Ein-/Ausschalten des automatischen Ladeendemodus erfolgt über den Schalter SA2. Der Einsatz des Relais der RES10-Serie ist auf seinen geringen Stromverbrauch und damit auf den geringen Batterieentladestrom im Ladestoppmodus zurückzuführen. Die Niederleistungskontakte des verwendeten Relais spiegeln auch die Merkmale des beschriebenen Geräts wider, die mit der kapazitiven Natur der Last verbunden sind. Daher wird der Stromversorgungskreis der Kondensatoreinheit ohne Funkenbildung unterbrochen.

Der Einsatz von zwei Netzsicherungen (FU1, FU2) und einem Zweifeldschalter SA1 ist aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung des Gerätes vom Netz mit erhöhten Anforderungen an die elektrische Sicherheit verbunden.

Das Aussehen und einige Designmerkmale eines transformatorlosen Ladegeräts sind in Abb. dargestellt. 3. Der Gerätekörper besteht aus zwei U-förmigen Aluminiumplatten, die mit Schrauben verbunden sind. An seiner Vorderwand befinden sich eine Stromversorgungsanzeige (HL1), ein Amperemeter PA1 zur Überwachung des Ladestroms und Ausgangsbuchsen X2, X3. An der Gehäuserückwand befinden sich Schalter SA1, SA2 (Kippschalter), Trimmwiderstände R7, R11 und Netzsicherungen. Die Platzierung von Trimmwiderständen ist auf das Vorhandensein eines Ladestromstabilisierungssystems zurückzuführen. Daher müssen Sie beim Betrieb in einer Garage den Wert des Ladestroms und die Ladeendeschwelle nur einmal vor Beginn des Betriebs einstellen.

Im oberen Teil des Gehäuses, das über Belüftungslöcher verfügt, sind der Optokoppler U2 und der leistungsstarke Transistor VT3 verbaut. Die Kühlfläche ihrer Kühlkörper beträgt ca. 20 cm 2 . Kühlkörper werden mit Schrauben mit Isolierbuchsen und Kunststoffscheiben am Gehäuse befestigt.

Die Dioden-Kondensator-Einheit ist auf einer Leiterplatte aus einseitiger Glasfaserfolie montiert, die auf Gestellen im Inneren des Gehäuses montiert ist. Alle Teile des Ladesteuerungssystems sind auf der zweiten Platine montiert, die sich unter der Kondensatoreinheit befindet.

Im Kondensatorblock können beliebige Oxidkondensatoren verwendet werden, vorzugsweise jedoch ein Typ. Bei Verwendung importierter Kondensatoren können die Abmessungen dieses Geräts deutlich reduziert werden. Die Dioden des Blocks können auch beliebig sein und für den gleichen Strom und die gleiche Sperrspannung ausgelegt sein – sogar die Dioden D226B und D7Zh reichen aus, aber die Abmessungen des Blocks und sein Gewicht werden deutlich zunehmen.

Wir werden den TO325-12,5-4 Optokoppler durch einen TO125-10 oder TO125-12,5 von mindestens Klasse 4 ersetzen. Anstelle von KP706B (VT3) können ähnliche inländische Feldeffekttransistoren oder importierte IGBTs für denselben Strom und dieselbe Spannung verwendet werden, vorzugsweise mit minimalem Kanalwiderstand.

Bei der Auswahl eines elektromagnetischen Relais (K1) ist zu berücksichtigen, dass die Nennspannung auf dem Typenschild etwa 1,5 bis 1,7 Mal höher ist als die Betriebsspannung und dass die Betriebsspannung auch bei Relais aus derselben Charge geringfügig abweichen kann . Es ist möglich, Relais RES9, RES22, RES32 und andere mit ausreichend geringer Stromaufnahme für eine Betriebsspannung im Bereich von 8...12 V zu verwenden. In diesem Fall kann es erforderlich sein, einen Widerstand R11 und einen Kondensator auszuwählen C14, um den variablen Anteil wirksam zu unterdrücken und ein „Prellen“ von Relaiskontakten und Fehlalarme zu verhindern.

Stellen Sie das Gerät nur ein, wenn Netzsicherungen vorhanden sind. Überprüfen Sie vor dem ersten Einschalten unbedingt die korrekte Installation und die korrekten Anschlüsse, da Fehler zum Ausfall der meisten Teile und sogar zur Explosion der Kondensatoren führen können. Als Versicherungspolice kann die Kondensatoreinheit mit einer Kiste aus dickem Karton oder Sperrholz abgedeckt werden.

Ein korrekt zusammengebautes Gerät beginnt sofort zu arbeiten. Grundsätzlich benötigen Sie nur eine Auswahl an Widerständen R6 und R8, um den Ladestrom-Einstellbereich anzupassen. Schließen Sie dazu eine entladene Batterie an den Ausgang des Geräts an und stellen Sie mithilfe der Auswahl der Widerstände R6 und R8 den Regelbereich des Ladestroms mithilfe des Amperemeters PA1 mit Widerstand R7 ein. Wenn in der Ausgangsposition des Schiebers des Widerstands R7 der Strom ungleich Null ist, müssen Sie den Widerstandswert des Widerstands R8 verringern. Wenn der Ladestrom in der Extremposition des R7-Schiebers Null wird, sollte der Widerstandswert dieses Widerstands erhöht werden. Als nächstes stellen Sie den Schieberegler des Widerstands R7 in seine endgültige Position. Sollte nun der Ladestrom kleiner als das Maximum sein, muss der Widerstandswert des Widerstands R6 verringert werden, bei Überschreitung muss er erhöht werden.

Stellen Sie anschließend den Schalter SA2 auf die Position „Manueller Modus“, laden Sie die Batterie vollständig auf und überwachen Sie die Spannung mit einem Gleichstromvoltmeter. Trennen Sie dann das Gerät vom Netzwerk, stellen Sie den Kippschalter SA2 auf den Modus „Auto“ und den Schieberegler des Widerstands R11 auf die maximale Widerstandsposition. Schließen Sie das Gerät wieder an das Netzwerk an und stellen Sie durch Verringern des Widerstands des Widerstands R11 eine eindeutige Funktion des Relais K1 her – das Gerät ist betriebsbereit.

Beim Aufstellen und Betreiben des Ladegerätes ist zu beachten, dass keine galvanische Trennung vom Netz besteht. Daher können Sie das Gerät nur dann an die Batterie anschließen und von ihr trennen, wenn das Netzkabel vom Stromnetz getrennt ist.

Das beschriebene Ladegerät ist eines der konkreten Beispiele für die Verwendung eines Kondensatorspannungswandlers. In anderen Fällen muss berücksichtigt werden, dass der Effektivwert seiner Ausgangsspannung etwa 12 V beträgt und die Amplitude nahe bei 24 V liegt. Daher ist es für die Stromversorgung elektronischer Geräte ratsamer, zwei Kondensatorblöcke zu verwenden, einen davon arbeitet mit positiver, der zweite mit negativer Halbwellen-Netzspannung. Die Ausgänge beider Blöcke müssen zusammengefasst werden und an einer gemeinsamen Last betrieben werden. Die Blöcke selbst sind nahezu identisch. Sie unterscheiden sich lediglich durch den Anschluss an stromführende Netzleitungen: Während der erste Block über Diodenkathoden angeschlossen ist, ist der zweite über Anoden angeschlossen. Dies ermöglicht eine höhere Ausgangsleistung bei deutlicher Reduzierung der Kapazität der Filterkondensatoren.

Die Ausgangsspannung des beschriebenen Geräts wird durch die Anzahl der Kondensatoren in der Batterie bestimmt und kann bei niedrigeren Spannungen in relativ kleinen Schritten eingestellt werden.

Der Ausgang des beschriebenen Wandlers kann formal als nicht mit dem Netzwerk verbunden betrachtet werden, da während einer Halbwelle des Netzwerks der Transistor VT3 und der Optokoppler U2 geschlossen sind und während der anderen die Dioden VD3 und VD4 geschlossen sind. Sie können jedoch nicht davon ausgehen, dass das Berühren der Ausgangsklemmen sicher ist. Jedes der oben genannten Elemente kann ausfallen. Dies macht sich aus Sicht des Konverters nicht bemerkbar, aber eines der Ausgangskabel wird mit dem Netzwerk verbunden. Daher müssen Sie beispielsweise die VD4-Diode und den U2-Optokoppler nicht installieren – das Gerät funktioniert auch ohne sie normal.

Über die Stabilisierung des Ausgangsstroms. Der Ausgangsstrom wird in dem Moment abgeschaltet, in dem die Spannung am Kondensatorblock auf den durch Widerstand R7 vorgegebenen Wert sinkt und die Anfangsspannung am Block proportional zur Netzwerkspannung ist. Wie die Autoren zeigten, ist der Ausgangsstrom proportional zur Differenz zwischen diesen Spannungen, sodass seine Stabilisierung nur bei Laständerungen erfolgt. Schwankungen der Netzspannung wirken sich auf den Ausgangsstrom aus, wobei die relative Änderung des Ausgangsstroms etwa doppelt so groß ist wie die relative Änderung der Netzspannung.

Das von den Autoren vorgeschlagene Relaisgerät zum Abschalten des Wandlers beim Laden der Batterie kann keine so enge Spannungshysterese haben, wie im Artikel angegeben, da der Auslösestrom beim RES-10-Relais etwa siebenmal geringer ist als der Betriebsstrom. Um die erforderliche Hysterese zu erreichen, ist es notwendig, ein Relais mit einer großen Anzahl von Kontakten zu verwenden. Bei Auslösung muss ein zusätzlicher variabler Widerstand in Reihe mit R11 eingefügt werden, der die Relaisauslösespannung einstellt.

Literatur

1. Biryukov S. Berechnung einer Netzstromversorgung mit Löschkondensator. – Radio, 1997, Nr. 5, S. 48 - 50.
2. Braslavsky L. et al. Spannungs-Gleichstrom-Wandler mit zwei Ausgangsspannungen unterschiedlicher Höhe. Beschreibung der Erfindung an den Autor. Datum Nr. 797022. - Bulletin „Entdeckungen, Erfindungen,...“, 1981, Nr. 2.
3. Horowitz P., Hill W. The Art of Circuit Design, in 3 Bänden: T. 1. Trans. aus dem Englischen, 4. Aufl. überarbeitet und zusätzlich - M.: Mir, 1993, S. 399-401.
4. Bogdanovich M., Polyakov A. AC-DC-Wandler mit Spannungsreduzierung. Beschreibung der Erfindung an den Autor. Datum Nr. 1182613. - Bulletin „Entdeckungen, Erfindungen...“, 1985, Nr. 36.

Autor: N. Kazakov, A. Petrov, Wolgograd

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