Насколько схем простых импульсных преобразователей постоянного напряжения.
Основные достоинства импульсных преобразователей:
Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- – понижающие, повышающие, инвертирующие;
- – стабилизированные, нестабилизированные;
- – гальванически изолированные, неизолированные;
- – с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Стабилизированный транзисторный преобразователь напряжения
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Нестабилизированный преобразователь напряжения на основе мультивибратора
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь на специализированной микросхеме MAX631
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения на MAX660
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1674
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.
MCP1252-33X50: Два напряжения от одного источника питания
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме TL497
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме ICL7660
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.
Два изолированных преобразователя на микросхемах DC-102 и DC-203
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.
Двухполярный стабилизированный преобразователь напряжения
Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 – 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной – 1:2.5.
Стабилизированный повышающий преобразователь на микросхеме MAX734
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.
Нестандартное применение микросхемы MAX232
Эта микросхема обычно служит драйвером RS-232. Умножение напряжения получается с коэффициентом 1,6…1,8.
Китайский рынок импульсных DC-DC преобразователей довольно широк. И бродя по просторам всем известного AliExpress я наткнулся на маленький, дешевый, но при этом достаточно мощный преобразователь. Стоит сказать сразу, что для целей связи он, как и любой импульсные преобразователь годен ограничено, но тем не менее заслуживает пристального внимания из-за своих размеров.
Ранее я уже писал о различных импульсных преобразователях которые вполне можно использовать для своих проектов.
Но все они имеют сравнительно большие габариты и их не всегда удобно использовать. Герой этого обзора гораздо компактнее, но при этом обеспечивает сходные эксплуатационные параметры. Поставляется плата преобразователя запакованной в антистатический пакетик.
На вид малыш выглядит весьма несерьезно, однако, не стоит спешить с выводами.
Размеры платы 22 х 17 мм. В сравнении с 10 рублевой монеткой.
Преобразователь построен на основе специализированной микросхемы преобразователя MP1584, основными особенностями которой являются:
- Входное напряжение может варьироваться в интервале от 4,5 до 28 вольт.
- Выходное напряжение регулируется от 0,8 до 25 вольт.
- Встроенный полевой транзистор обеспечивает рабочий ток до 3А
- Рабочая частота до 1,5МГц (этим и объясняются такие маленькие габариты).
- Встроенная защита от перегрева (при достижении 120 градусов по Цельсию, преобразователь отключается)
- Достаточно низкий уровень пульсаций на входе и на выходе преобразователя.
- Защита от короткого замыкания на выходе.
Из недостатков можно отметить полное отсутствие защиты от переполюсовки. И если вы по неосторожности попутали полярность, микросхема MP1584 с треском взорвется (один из преобразователей погиб во имя науки). 🙂
Схема включения MP1584 из даташита. Собственно по ней наш преобразователь и собран. Здесь также присутствует график КПД в зависимости от потребляемого тока.
Испытания
Для испытания преобразователя подключим к нему радиостанцию M-Tech Legend III,
Сам преобразователь запитаем от лабораторного источника питания Atten PPS3005S способного выдавать напряжения до 31 вольта и ток до 5А. Измерять ток и напряжение будем при помощи мультиметра Vichy VC8145.
Параметры будем снимать до и после преобразователя.
КПД преобразователя по мощности около 90%, что просто прекрасно. 10% потерь вполне приемлемое значение. Также надо помнить о том, что КПД сильно падает при разбросе входного и выходного напряжения менее 3В (в документации, менее 5). Так что КПД нашего малыша даже выше чем у старших братьев.
Измерим уровень пульсаций на входе и на выходе преобразователя под стандартной нагрузкой в виде радиостанции M-Tech Legend III. Исследовать сигнал на входе и на выходе будем при помощи осциллографа Atten ADS1102CAL. Главный исследуемый параметр dV (амплитуда пульсаций между курсорами CurA и CurB).
Пульсации на входе (прием)
Пульсации на выходе (прием)
Пульсации на входе (передача)
Пульсации на выходе (передача)
В сравнении с аналогичными, но более низкочастотными преобразователями, выглядит вполне неплохо.
Температурный режим
Исследуем преобразователь на предмет нагрева в процессе работы.
Дежурный режим, ток потребления 294мА
После 1 минуты работы на передачу, ток потребления 1,55А.
Как видно, сильнее всего нагрелась сама микросхема преобразователя. Безусловно, нашему малышу приходится тяжко, но в целом, он выдержал испытание.
Помехи
В документации к микросхеме MP1584 написано: By switching at 1.5MHz, the MP1584 is able to prevent EMI (Electromagnetic Interference) noise problems, such as those found in AM radio and ADSL applications. Что в переводе означает: Поскольку преобразование происходит на частоте 1,5МГц, MP1584 не должна порождать электромагнитный шум, вызывающий проблемы при работе приемопередающих устройство использующих амплитудную модуляцию и технологию ADSL. В моих опытах, радиостанция M-Tech Legend III будучи подключенной через данный преобразователь не показала сколько-нибудь заметного снижения чувствительности. И тем не менее, памятуя о принципах работы импульсных преобразователей я бы не рекомендовал использовать его для питания чувствительной техники связи. Компактный размер преобразователя позволяет размещать его даже внутри станции, но вот, насколько это пагубно скажется на чувствительности приемника, неизвестно, для проверки этого момента следует провести дополнительные исследования.
Итог
В итоге мы имеем отличный миниатюрный преобразователь который можно легко использовать для питания различных устройств, например, для сборк пауэр банка на свинцовом аккумуляторе, который будет заряжать Ваши мобильные устройства. Совсем недавно у меня как раз возникла подобного рода задача, запитать оборудование для съемки в полевых условиях, дабы не сильно зависеть от встроенных в технику аккумуляторов, и преобразователи на микросхеме MP1584 превосходно с этой задачей справились.
К1224ПН1х – интегральная микросхема представляет собой преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое переменное и применяется для управления плоской люминесцентной лампой. Повышение напряжения осуществляется с помощью внешней индуктивности, на которой вырабатываются высоковольтные импульсы напряжения с частотой внутреннего генератора накачки. Фазой выходного напряжения управляет генератор переключения фазы. Частота каждого генератора определяется внешней емкостью. ИС содержит: два автогенератора формирующие частоту накачки и период переключения […]
Микросхема 1156ЕУ1 представляет из себя набор функциональных элементов предназначенный для построения импульсного стабилизатора повышающего, понижающего или инверсного типа. Прибор К1156ЕУ1Т выпускается в металлокерамическом корпусе типа 4112.16-3, а КР1156ЕУ1 – в пластмассовом корпусе типа 283.16-2. ОСОБЕННОСТИ Рассчитан для понижающих, повышающих и инвертирующих импульсных стабилизаторов Регулировка выходного напряжения 1,25…40В Выходной импульсный ток………..<1,5А Входное напряжение ….2,5…40В […]
К1290ЕКхх, К1290ЕФ1хх — это понижающий импульсный стабилизатор напряжения на нагрузку до 3А, предназначенный для работы в диапазоне температур корпуса минус 10…+85°C (К1290ЕххП) и минус 60…+125°C (К1290ЕххХ). Фиксированное выходное напряжение: 3,3 В – К1290ЕК3.3(А,Б)П, К1290ЕК3.3Х, 5 В – К1290ЕК5(А,Б)П, К1290ЕК5Х, 12 В – К1290ЕК12(А,Б)П, 15 В – К1290ЕК15(А,Б)П ОСОБЕННОСТИ Программируемое выходное напряжение от 1,2 В до […]
UA78S40 производства Motorola и LM78S40 производства National Semionductor — микросхемы для импульсных преобразователей широкого назначения. Микросхема UA78S40 (LM78S40) позволяет создавать понижающие, повышающие и инвертирующие полярность импульсные стабилизированные преобразователи. Преобразователь на микросхеме UA78S40 обладает широким диапазоном входного и выходного напряжения. Входное напряжение может варьироваться в пределах от 2,5 до 40В, выходное от 1,5 до 40В. Диод Шоттки 1N5822 в схеме […]
Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения LM2576HV-ADJ (микросхема понижающего широтно-импульсного (ШИМ) регулируемого стабилизатора напряжения) имеет широкий диапазон регулируемого выходного напряжения от 1,2 до 50В с выходным максимальным током 3А. Так как стабилизатор работает в импульсном режиме, он имеет высокий КПД и как правило оснащается небольшим радиатором площадью не более 100 см2. Устройство имеет тепловую защиту и защиту […]
На рисунке показана схема простого преобразователя напряжения. ИМС CD4047 работает в режиме нестабильного мультивибратора, с выхода которого в противофазе сигнал поступает на MOSFET транзисторы IRFZ44, нагрузкой которых является обычный (сетевой трансформатор с подключенными наоборот обмотками, где обмотка на 220 становится вторичной) 60-100 Вт повышающий трансформатор с первичной обмоткой 2*12В и отводом от середины.
ИМС САТ3603 выдает 30 мА на канал и работает с входным напряжением 3…5.5В. Потребление тока покоя микросхемы крайне мало 0,1мА, что дает возможность питать ее обычной батарейки. Рабочая частота преобразования 1МГц, КПД преобразователя 90%. Имеется зашита выхода от КЗ. Выходной ток икросхемы регулируется при помощи сопротивления R. В таблице указаны номиналы сопротивления в зависимости от […]
Преобразователи частоты
С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.
Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними.
В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:
Рис. 1. Блок-схема преобразователя частоты
1.Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.
2.Промежуточная цепь одного из трех типов:
a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.
b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.
c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.
3.Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока.
4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты (см. рис. 2.02).
Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертера. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.
На рис. 2, где показаны различные принципы построения/управления преобразователя, используются следующие обозначения:
1- управляемый выпрямитель,
2- неуправляемый выпрямитель,
3- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,
4- промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока
5- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,
6- инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)
7- инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)
Инвертор тока (ИТ) (1+3+6)
Преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) (1+4+7) (2+5+7)
Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ/VVCplus) (2+4+7)
Рис. 2. Различные принципы построения/управления преобразователей частоты
Для полноты следует упомянуть прямые преобразователи, которые не имеют промежуточной цепи. Такие преобразователи используются в мегаваттном диапазоне мощности для формирования низкочастотного питающего напряжения непосредственно из сети частотой 50 Гц, при этом их максимальная выходная частота составляет около 30 Гц.
Выпрямитель
Питающее напряжение сети является трехфазным или однофазным напряжением переменного тока с фиксированной частотой (например, 3x400 В/50 Гц или 1 х240 В/50 Гц); характеристики этих напряжений иллюстрируются приведенным ниже рисунком.
Рис. 3. Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока
На рисунке все три фазы смещены между собой по времени, фазное напряжение постоянно изменяет направление, а частота указывает число периодов в секунду. Частота 50 Гц означает, что на секунду приходится 50 периодов (50 х Т), т.е. один период длится 20 миллисекунд.
Выпрямитель преобразователя частоты строится либо на диодах, либо на тиристорах, либо на их комбинации. Выпрямитель, построенный на диодах, является неуправляемым, а на тиристорах - управляемым. Если используются и диоды, и тиристоры, выпрямитель является полууправляемым.
Неуправляемые выпрямители
Рис. 4. Режим работы диода.
Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.
Рис. 5. Неуправляемый выпрямитель
На рис. 5 показан неуправляемый трехфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов D1, D3 и D5. Другая группа состоит из диодов D2, D4 и D6. Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (120°). В обеих группах диоды проводят ток в определенной последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1 /6 времени периода Т (60°).
Диоды D1,3,5 открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы L достигает положи-тельного пикового значения, то диод D, открыт и клемма А получает напряжение фазы L1 На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной U L1-2 и U L1-3
То же происходит и в группе диодов D2,4,6. В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза L3 достигает предельного отрицательного значения, диод D6 открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной U L3-1 и U L3-2
Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.
Рис. 6. Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя
Управляемые выпрямители
В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении - от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.
Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.
На затвор тиристора подается управляющий сигнал а, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы оказывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.
Рис. 7. Режим работы тиристора
Если угол а находится в пределах от 0° до 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90° до 300° - то в качестве инвертора.
Рис. 8. Управляемый трехфазный выпрямитель
Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом а и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30° позже точки перехода напряжения через нуль.
Регулирование значения а позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети x cos α
Рис. 9. Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя
По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.
Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.
Промежуточная цепь
Промежуточную цепь можно рассматривать как хранилище, из которого электродвигатель может получать энергию через инвертор. В зависимости от выпрямителя и инвертора, возможны три принципа построения промежуточной цепи.
Инверторы - источники тока (1-преобразователи)
Рис. 10. Промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока
В случае инверторов - источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка.
Инверторы - источники напряжения (U-преобразователи)
Рис. 11. Промежуточная цепь постоянного напряжения
В случае инверторов - источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение (U21) выпрямителя.
В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения (U22)c изменяющейся амплитудой.
В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.
Промежуточная цепь изменяющегося постоянного напряжения
Рис. 12. Промежуточная цепь изменяющегося напряжения
В промежуточных цепях изменяющегося постоянного напряжения можно перед фильтром включить прерыватель, как это показано на рис. 12.
Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключая напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путем сравнения изменяющегося напряжения после фильтра (U v) с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения, что может быть выражено формулой
U v = U х t on / (t on + t off)
Когда транзистор прерывателя размыкает цепь тока, катушка индуктивности фильтра делает напряжение на транзисторе бесконечно большим. Чтобы избежать этого прерыватель защищен быстропереключающимся диодом. Когда транзистор открывается и закрывается, как показано на рис. 13, напряжение будет наибольшим в режиме 2.
Рис. 13. Транзистор-прерыватель управляет напряжением промежуточной цепи
Фильтр промежуточной цепи сглаживает прямоугольное напряжение после прерывателя. Конденсатор и катушка индуктивности фильтра поддерживают постоянство напряжения на данной частоте.
В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят:
Развязка выпрямителя от инвертора
Уменьшение уровня гармоник
Накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки.
Инвертор
Инвертор - последнее звено в преобразователе частоты перед электродвигателем и место, где происходит окончательная адаптация выходного напряжения.
Преобразователь частоты обеспечивает штатные рабочие условия во всем диапазоне регулирования путем адаптации выходного напряжения к режиму нагрузки. Это позволяет поддерживать оптимальное намагничивание электродвигателя.
Из промежуточной цепи инвертор получает
Изменяющийся постоянный ток,
Изменяющееся напряжение постоянного тока или
Неизменное напряжение постоянного тока.
Благодаря инвертору, в каждом из этих случаях на электродвигатель подается изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создается нужная частота напряжения, подаваемого на электродвигатель. Если ток или напряжение являются изменяющимися, инвертор создает только нужную частоту. Если напряжение неизменно, инвертор создает для электродвигателя как нужную частоту, так и нужное напряжение.
Даже если инверторы работают различным образом, их основная структура всегда одинакова. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.
В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 кГц и зависит от используемых полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами.
Рис. 14. Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.
Обычные инверторы, коммутирующие, главным образом, ток промежуточной цепи изменяющегося напряжения, содержат шесть тиристоров и шесть конденсаторов.
Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Когда на клеммы электродвигателя периодически подается ток в последовательности U-V, V-W, W-U, U-V..., возникает прерывистое вращающееся магнитное поле требуемой частоты. Даже если ток электродвигателя при этом имеет почти прямоугольную форму, напряжение электродвигателя будет практически синусоидальным. Однако при включении или выключении тока всегда возникают броски напряжения.
Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами.
Рис. 15. Инвертор для изменяющегося или неизменного напряжения промежуточной цепи и зависимость выходного тока от частоты коммутации инвертора
Инверторы с изменяющимся или неизменным напряжением промежуточной цепи содержат шесть коммутационных элементов и вне зависимости от вида используемых полупроводниковых приборов работают почти одинаково. Схема управления открывает и закрывает полупроводниковые приборы с помощью нескольких различных способов модуляции, изменяя тем самым выходную частоту преобразователя частоты.
Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи.
Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты.
Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжением, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).
Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или более коротких интервалов времени.
Рис. 16 Модуляция амплитуды и длительности импульсов
Частота изменяется путем изменения импульсов напряжения вдоль оси времени - положительно в течение одного полупериода и отрицательно - в течение другого.
Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-модуляция (и связанные с ней способы, например синусоидально-управляемая ШИМ) является наиболее распространенным способом управления инвертора.
При ШИМ-модуляции схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при пересечении пилообразного напряжения и наложенного синусоидального опорного напряжения (синусоидально-управляемая ШИМ). Другими перспективными способами ШИМ-модуляции являются модифицированные методы широтно-импульсной модуляции, такие как WC и WC plus , разработанные корпорацией Danfoss.
Транзисторы
Поскольку транзисторы могут коммутироваться с высокими скоростями, электромагнитные помехи, возникающие при «импульсном» (намагничивании электродвигателя, уменьшаются.
Другим преимуществом высокой частоты коммутации является гибкость модуляции выходного напряжения преобразователя частоты, что позволяет вырабатывать синусоидальный ток электродвигателя, в то время как схема управления должна просто открывать и закрывать транзисторы инвертора.
Частота коммутации инвертора - это «палка о двух концах», поскольку высокие частоты могут привести к нагреву электродвигателя и появлению больших пиковых напряжений. Чем выше частота коммутации, тем выше потери.
С другой стороны, низкая частота коммутации может привести с сильному акустическому шуму.
Высокочастотные транзисторы можно разделить на три основные группы:
Биполярные транзисторы (LTR)
Униполярные полевые МОП-транзисторы (MOS-FET)
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
В настоящее время наиболее широко используются транзисторы IGBT, поскольку в них управляющие свойства транзисторов MOS-FET сочетаются с выходными свойствами транзисторов LTR; кроме того, они имеют надлежащий диапазон мощностей, подходящую проводимость и частоту коммутации, что позволяет значительно упростить управление современными преобразователями частоты.
В случае транзисторов IGBT как элементы инвертора, так и средства управления инвертором помещаются в опрессованный модуль, называемый "интеллектуальным силовым модулем" (IPM).
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
Амплитудно-импульсная модуляция используется для преобразователей частоты с изменяющимся напряжением промежуточной цепи.
В преобразователях частоты с неуправляемыми выпрямителями амплитуда выходного напряжения формируется прерывателем промежуточной цепи, а если выпрямитель является управляемым, амплитуда получается непосредственно.
Рис. 20. Формирование напряжения в преобразователях частоты с прерывателем в промежуточной цепи
Транзистор (прерыватель) на рис. 20 отпирается или запирается схемой управления и регулирования. Значения времени коммутации зависит от номинального значения (входного сигнала) и измеренного сигнала напряжения (фактического значения). Фактическое значение измеряется на конденсаторе.
Катушка индуктивности и конденсатор действуют как фильтр, который сглаживает пульсации напряжения. Пик напряжения зависит от времени открывания транзистора, и если номинальное и фактическое значения различаются между собой, прерыватель работает до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень напряжения.
Регулирование частоты
Частота выходного напряжения изменяется инвертором в течение периода, при этом полупроводниковые коммутационные устройства срабатывают в течение периода много раз.
Длительность периода можно регулировать двумя способами:
1.непосредственно входным сигналом или
2.с помощью изменяющегося постоянного напряжения, которое пропорционально входному сигналу.
Рис. 21а. Регулирование частоты с помощью напряжения промежуточной цепи
Широтно-импульсная модуляция является наиболее распространенным способом формирования трехфазного напряжения с соответствующей частотой.
При широтно-импульсной модуляции формирование полного напряжения промежуточной цепи (≈ √2 х U mains) определяется длительностью и частотой коммутации силовых элементов. Частота повторения ШИМ-импульсов между моментами включения и выключения является переменной и позволяет осуществлять регулировку напряжения.
Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.
1.Синусоидально-управляемая ШИМ
2.Синхронная ШИМ
3.Асинхронная ШИМ
Каждая ветвь трехфазного ШИМ-инвертора может иметь два различных состояния (включено и выключено).
Три переключателя образуют восемь возможных коммутационных комбинаций (2 3), и, следовательно, восемь цифровых векторов напряжения на выходе инвертора или на обмотке статора подключенного электродвигателя. Как показано на рис. 21b, эти векторы 100, 110, 010, 011, 001, 101 находятся в углах описанного шестиугольника, используя в качестве нулевых векторы 000 и 111.
В случае коммутационных комбинаций 000 и 111 создается один и тот же потенциал на всех трех выходных клеммах инвертора - либо положительный, либо отрицательный относительно промежуточной цепи (см. рис. 21с). Для электродвигателя это означает эффект, близкий к короткому замыканию клемм; к обмоткам электродвигателя также приложено напряжение О В.
Синусоидально-управляемая ШИМ
При синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым инверторным выходом используется синусоидальное опорное напряжение (Us) Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три опорных напряжения накладывается пилообразное напряжение (U D) см. рис. 22.
Рис. 22. Принцип действия синусоидально-управляемой ШИМ (с двумя опорными напряжениями)
При пересечении пилообразного напряжения и синусоидальных опорных напряжений полупроводниковые приборы инверторов либо открываются, либо закрываются.
Пересечения определяются электронными элементами платы управления. Если пилообразное напряжения больше синусоидального, то при уменьшении пилообразного напряжения выходные импульсы изменяются от положительного значения до отрицательного (или от отрицательного до положительного), так что выходное напряжение преобразователя частоты определяется напряжением промежуточной цепи.
Выходное напряжение изменяется с помощью отношения между длительностью открытого и закрытого состояния, причем для получения требуемого напряжения это отношение можно менять. Таким образом, амплитуда отрицательных и положительных импульсов напряжения всегда соответствует половине напряжения промежуточной цепи.
Рис. 23. Выходное напряжение синусоидально-управляемой ШИМ
При низких частотах статора время в закрытом состоянии увеличивается и может оказаться настолько большим, что окажется невозможным поддерживать частоту пилообразного напряжения.
Это увеличивает период отсутствия напряжения, и электродвигатель будет работать неравномерно. Чтобы избежать этого, на низких частотах можно удвоить частоту пилообразного напряжения.
Фазное напряжение на выходных клеммах преобразователя частоты соответствует половине напряжения промежуточной цепи, деленной на √ 2, т.е. равно половине напряжения питающей сети. Линейное напряжение на выходных клеммах в √ 3 раз больше фазного напряжения, т.е. равно напряжению питающей сети, умноженному на 0,866.
Инверторе ШИМ-управлением, который работает исключительно с модуляцией опорным синусоидальным напряжением, может подавать напряжение, равное 86,6 % номинального напряжения (см. рис. 23).
При использовании чисто синусоидальной модуляции выходное напряжение преобразователя частоты не может достигнуть напряжения электродвигателя, поскольку выходное напряжение также будет меньше на 13 %.
Однако требуемое дополнительное напряжение можно получить путем уменьшения числа импульсов, когда частота превышает примерно 45 Гц, но этот способ имеет некоторые недостатки. В частности, он вызывает ступенчатое изменение напряжения, что приводит к неустойчивой работе электродвигателя. Если число импульсов уменьшается, возрастают высшие гармоники на выходе преобразователя частоты, что увеличивает потери в электродвигателе.
Иной способ решения данной проблемы связан с использованием других опорных напряжений вместо трех синусоидальных. Эти напряжения могут быть любой формы (например, трапецеидальной или ступенчатой).
Например, одно общее опорное напряжение использует третью гармонику синусоидального опорного напряжения. Получить такой режим коммутации полупроводниковых приборов инвертора, который увеличит выходное напряжение преобразователя частоты, можно путем увеличения амплитуды синусоидального опорного напряжения на 15,5% и добавления к нему третьей гармоники.
Синхронная ШИМ
Основная трудность использования метода синусоидально-управляемой ШИМ заключается в необходимости определения оптимальных значений времени коммутации и угла для напряжения в течение заданного периода. Эти значения времени коммутации должны устанавливаться таким образом, чтобы допускать только минимум высших гармоник. Такой режим коммутации сохраняется только в течение заданного (ограниченного) диапазона частот. Работа за пределами этого диапазона требует использования другого метода коммутации.
Асинхронная ШИМ
Необходимость ориентации на поле и обеспечения быстродействия системы в отношении крутящего момента и регулирования скорости трехфазных приводов переменного тока (включая сервоприводы) требует ступенчатого изменения амплитуды и угла напряжения инвертора. Использование режима коммутации «обычной» или синхронной» ШИМ не позволяет производить ступенчатое изменение амплитуды и угла напряжения инвертора.
Одним из способов выполнения этого требования является асинхронная ШИМ, при которой вместо синхронизации модуляции выходного напряжения с выходной частотой, как это обычно делается для уменьшения гармоник в электродвигателе, производится модуляция цикла векторного регулирования напряжения, что приводит к синхронной связи с выходной частотой.
Существуют два основных варианта асинхронной ШИМ:
SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modulation = (синхронная векторная модуляция, ориентированная на магнитный поток статора)
60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = асинхронная векторная модуляция).
SFAVM - пространственно-векторный способ модуляции, который позволяет случайным образом, но скачкообразно изменять напряжение, амплитуду и угол инвертора в течение времени коммутации. Этим достигаются повышенные динамические свойства.
Главной целью применения такой модуляции является оптимизация магнитного потока статора с помощью напряжения статора с одновременным уменьшением пульсаций крутящего момента, поскольку отклонение угла зависит от последовательности коммутации и может вызвать увеличение пульсаций момента. Поэтому последовательность коммутации должна вычисляться таким образом, чтобы с вести к минимуму отклонение угла вектора. Переключение между векторами напряжения основано на вычислении желательной траектории магнитного потока в статоре электродвигателя, которая, в свою очередь, определяет крутящий момент.
Недостатком прежних, обычных ШИМ-систем питания были отклонения амплитуды вектора магнитного потока статора и угла магнитного потока. Эти отклонения неблагоприятно влияли на вращающееся поле (крутящий момент) в воздушном зазоре электродвигателя и вызывали пульсацию крутящего момента. Влияние отклонения U амплитуды пренебрежимо мало и может быть дополнительно уменьшено путем увеличения частоты коммутации.
Формирование напряжения электродвигателя
Стабильная работа соответствует регулированию вектора напряжения машины U wt таким образом, чтобы он описывал окружность (см. рис. 24).
Вектор напряжения характеризуется величиной напряжения электродвигателя и скорости вращения, что соответствует рабочей частоте в рассматриваемый момент времени. Напряжение электродвигателя формируется путем создания средних значений с помощью коротких импульсов из соседних векторов.
Способ SFAVM, разработанный корпорацией Danfoss, наряду с прочими обладает следующими свойствами:
Вектор напряжения можно регулировать по амплитуде и фазе без отклонения от установленного задания.
Последовательность коммутации всегда начинается с 000 или 111. Это позволяет вектору напряжения иметь три режима коммутации.
Среднее значение вектора напряжения получается с помощью коротких импульсов соседних векторов, а также нулевых векторов 000 и 111.
Схема управления
Схема управления, или плата управления - четвертый главный элемент преобразователя частоты, который предназначен для решения четырех важных задач:
Управление полупроводниковыми элементами преобразователя частоты.
Обмен данными между преобразователями частоты и периферийными устройствами.
Сбор данных и формирование сообщений о неисправностях.
Выполнение функций защиты преобразователя частоты и электродвигателя.
Микропроцессоры увеличили быстродействие схемы управления, существенно расширили область применения приводов и уменьшили количество необходимых вычислений.
Микропроцессор встраивается в преобразователь частоты и всегда способен определять оптимальную импульсную комбинацию для каждого рабочего состояния.
Схема управления для АИМ-преобразователя частоты
Рис. 25 Принцип действия схемы управления для промежуточной цепи, управляемой прерывателем.
На рис. 25 показан преобразователь частоты с АИМ-управлением и прерывателем промежуточной цепи. Схема управления управляет преобразователем (2) и инвертором (3).
Управление производится по мгновенному значению напряжения промежуточной цепи.
Напряжение промежуточной цепи управляет схемой, которая действует как счетчик адреса в памяти для хранения данных. Память хранит выходные последовательности для импульсной комбинации инвертора. Когда напряжение промежуточной цепи увеличивается, счет происходит быстрее, последовательность заканчивается скорее, а выходная частота возрастает.
Что касается управления прерывателем, то напряжение промежуточной цепи сначала сравнивается с номинальным значением опорного сигнала-сигнала напряжения. Ожидается, что этот сигнал напряжения дает правильные значения выходного напряжения и частоты. Если изменяют опорный сигнал и сигнал промежуточной цепи, ПИ-регулятор информирует схему о том, что необходимо изменить время цикла. Это вызывает подстройку напряжения промежуточной цепи по опорному сигналу.
Обычным методом модуляции для управления преобразователем 1астоты является амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является более современным методом.
Управление по полю (векторное управление)
Векторное управление может быть организовано несколькими способами. Основным различием способов являются критерии, которые используются при вычислении значений активного тока, тока намагничивания (магнитного потока) и крутящего момента.
При сравнении между собой двигателей постоянного тока и трехфазных асинхронных двигателей (рис. 26) выявляются определенные проблемы. На постоянном токе параметры, которые важны для создания крутящего момента, - магнитный поток (Ф) и ток якоря - фиксированы по отношению к размеру и расположению фазы и определяются ориентацией обмоток возбуждения и положением угольных щеток (рис. 26а).
В двигателе постоянного тока ток якоря и ток, создающий магнитный поток, расположены под прямым углом друг к другу и их значения не очень велики. В асинхронном электродвигателе положение магнитного потока (Ф) и тока ротора (I,) зависит от нагрузки. Кроме того, в противоположность двигателю постоянного тока, фазовые углы и ток не могут быть непосредственно определены по размеру статора.
Рис. 26. Сравнение машины постоянного тока и асинхронной машины переменного тока
Однако с помощью математической модели можно вычислить крутящий момент по зависимости между магнитным потоком и током статора.
Из измеренного тока статора (l s) выделяется составляющая (l w), которая создает крутящий момент с магнитным потоком (Ф) при прямых углах между двумя этими переменными (l в). Тем самым создается магнитный поток электродвигателя (рис. 27).
Рис. 27. Расчет составляющих тока для регулирования по полю
С помощью этих двух составляющих тока можно независимо влиять на крутящий момент и магнитный поток. Однако ввиду определенной сложности вычислений на основе динамической модели электродвигателя, такие вычисления рентабельны только в цифровых приводах.
Поскольку по такому методу регулирование возбуждения, которое не зависит от нагрузки, отделено от регулирования крутящего момента, то можно динамически управлять асинхронным двигателем так же, как и двигателем постоянного тока - при условии, что имеется сигнал обратной связи. Этот способ управления трехфазным двигателем переменного тока обладает следующими преимуществами:
Хорошая реакция на изменения нагрузки
Точное регулирование мощности
Полный крутящий момент при нулевой скорости
Рабочие характеристики сравнимы с характеристиками приводов постоянного тока.
Регулирование V/f-характеристик и вектора магнитного потока
В последние годы разработаны системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
нормального V/f-регулирования, или СКАЛЯРНОГО управления, и регулирования вектора магнитного потока.
Оба метода имеют свои преимущества, зависящие от конкретных требований к рабочим характеристикам привода (динамике) и точности.
Регулирование V/f-характеристик имеет ограниченный диапазон регулирования скорости (приблизительно 1:20), и на малой скорости требуется другой принцип регулирования (компенсация). При использовании этого метода относительно просто адаптировать преобразователь частоты к электродвигателю, причем регулирование невосприимчиво к мгновенным изменениям нагрузки во всем диапазоне скоростей.
В приводах с регулированием магнитного потока преобразователь частоты должен точно конфигурироваться под электродвигатель, что требует детального знания его параметров. Также необходимы дополнительные компоненты для получения сигнала обратной связи.
Некоторые преимущества этого типа управления:
Быстрая реакция на изменения скорости и широкий диапазон скоростей
Лучшая динамическая реакция на изменения направления
Обеспечивается единый принцип управления во всем диапазоне скоростей.
Для пользователя оптимальным решением было бы сочетание наилучших свойств обоих принципов. Очевидно, что одновременно необходимы и такое свойство, как устойчивость к ступенчатой нагрузке/разгрузке во всем диапазоне скоростей, что обычно является сильной стороной V/f-регулирования, и быстрая реакция на изменения задания скорости (как при управлении по полю).
При конструировании электронных устройств часто требуется источник питания с различными значениями выходного напряжения. Широкое применение в современных устройствах находят преобразователи постоянного напряжения на переключающихся конденсаторах, позволяющие вырабатывать требуемые напряжения от одного источника питания. В статье рассматриваются принципы работы таких преобразователей, их технические характеристики и варианты применения.
Рассмотрим принцип работы преобразователя на примере широко распространенной микросхемы IСL7660/MAX1044 с расширенными функциональными возможностями. Микросхема МАХ1044 отличается от IСL7660 наличием входа Boost (увеличение частоты внутреннего генератора). Структурная схема микросхемы ICL7660 приведена на рис.1.
Схема содержит четыре силовых МОП ключа, управляемых логическими элементами и сдвигателем уровня напряжения, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты задающего RC генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.
Принцип работы микросхемы в режиме идеального инвертора напряжения рассмотрим по функциональной схеме, приведенной на рис.2.
При замыкании ключей S1 и S3 и размыкании ключей S2 и S4 во время первой половины цикла внешний конденсатор С1 заряжается от источника питания до напряжения V + , а при замыкании ключей S2 и S4 и размыкании ключей S1 и S3 во время второй половины цикла конденсатор С1 передает частично свой заряд внешнему конденсатору С2, обеспечивая на выводе V OUT микросхемы напряжение -V + . Указанные значения напряжения соответствуют установившемуся режиму.
Энергия, передаваемая конденсатором С1 за один цикл, определяется с помощью выражения
(1)
Одним из основных показателей преобразователя является коэффициент преобразования
(2)
где U вых - напряжение на выходе преобразователя при токе нагрузки, равном i ; U вых.ид. - напряжение на выходе идеального преобразователя (для инвертора U вых.ид. =-U вх).
Из выражения (2) видно, что высокое значение коэффициента преобразования достигается при U вых(i) = U вых.ид. , т.е. при V1 = V2. Однако, как видно из выражения (1), в этом случае снижается переносимая конденсатором С1 энергия, что затрудняет обеспечение высокого значения коэффициента преобразования. Повышение переносимой конденсатором энергии возможно при увеличении емкости С1 или рабочей частоты. В первом случае возрастают габариты конденсатора и, следовательно, габариты преобразователя. Во втором случае возрастают потери энергии в реальном устройстве, что снижает его коэффициент полезного действия
где Р вых - мощность, отдаваемая в нагрузку; Р вх - мощность, потребляемая от источника питания.
Из проведенного анализа видно, что при разработке конкретного устройства преобразования необходима оптимизация значений рабочей частоты и емкости конденсатора С1. Для этого необходимо предусмотреть возможность изменения рабочей частоты в соответствии со значениями рабочих напряжений и потребляемых токов.
Рассмотрим электрические характеристики микросхемы IСL7660, включенной по тестовой схеме, приведенной на рис.3.
Таблица 1. Краткие электрические характеристики микросхемы при V + =5B, С OSC =0
Типовые зависимости электрических характеристик микросхемы IСL7660 приведены на рис.4-8.
Приведенные зависимости позволяют уточнить параметры преобразователя для конкретных значений рабочих напряжений и потребляемых токов.
Рассмотрим типовые схемы включения микросхемы ICL7660.
Инвертор напряжения
Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения приведена на рис.9.
Инвертор обеспечивает получение на выходе V OUT напряжения, равного -V + в диапазоне 1,5В
Выходное сопротивление микросхемы зависит от режима по постоянному току и от реактивного сопротивления конденсатора С1.
(3)
Так, для номинала С1=10мкф и частоты f=10кГц X C =3,18 Ом. Для исключения влияния конденсатора С1 на выходное сопротивление необходимо, чтобы Х С
Для эксплуатации микросхемы в диапазоне 1,5В
Снижение выходного сопротивления
Для снижения выходного сопротивления можно применить параллельное включение микросхем, которое показано на рис.10.
Выходное сопротивление такой схемы зависит от числа параллельно включенных микросхем n и определяется с помощью выражения.
(4)
Из рисунка видно, что конденсатор С1 является индивидуальным для каждой микросхемы, а конденсатор С2 - общий. Рассмотренное включение микросхем позволяет повысить выходной ток, коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия преобразователя.
Каскадное включение микросхем
Для повышения выходного напряжения можно применять каскадное включение микросхем, показанное на рис.11.
Выходное напряжение такого преобразователя равно -nV + . Учитывая допустимый диапазон 1,5В
Удвоители напряжения
Для получения положительного напряжения от источника отрицательного напряжения, а также удвоения напряжения применяется включение микросхемы, показанное на рис.12.
На выводах 8 и 3 вырабатывается напряжение V OUT =-V - ,а на выводах 8 и 5 V OUT =-2V - . Диод необходим для обеспечения начального этапа работы микросхемы. В ряде случае удобно использовать схему включения, показанную на рис.13.
Выходное напряжение такого преобразователя равно 2V + -2V F , где V F - падение напряжения на диоде в прямом направлении (для кремневых диодов V F =0,5-0,7B).
Делители напряжения
С помощью микросхемы ICL7660 можно получить умощненный делитель напряжения при включении ее, как показано рис.14.
Комбинированные источники напряжения
Микросхема ICL7660 позволяет получать напряжения с различными номиналами. Один из вариантов включения показан на рис.15.
В преобразователе напряжения, показанном на рисунке, формируются напряжения -(V + -V F) и 2V + -2V F .
Работа в буферном режиме
Как видно из рассмотренного выше материала преобразователи с коммутируемыми конденсаторами обладают обратимыми свойствами. Это позволяет реализовывать буферный режим их функционирования, один из вариантов которых показан на рис.16.
Питание устройства осуществляется от источника V IN , который обеспечивает напряжение V OUT (5-ый вывод n-ой микросхемы) и V + (8-ой вывод первой микросхемы) - напряжение подзаряда аккумулятора. При пропадании питающего напряжения или отключении источника питания напряжение V OUT будет вырабатываться из напряжения аккумулятора V + .
Изменение частоты генератора ICL7660
Параметры рассмотренных преобразователей зависят от частоты генератора микросхемы. Зависимость коэффициента полезного действия от частоты показана на рис.6.
Из рисунка видно, что при выходном токе 1мА высокий КПД обеспечивается на частотах, меньших 1 кГц. На более высоких частотах потери в цепях генератора и управления силовыми ключами снижает общий КПД. Для достижения высокого КПД в данном конкретном случае необходимо уменьшить рабочую частоту преобразователя. Рабочую частоту можно уменьшать с помощью внешнего генератора или подключением C OSC , как показано на рис.3.
Более простым является способ, использующий внешний конденсатор, емкость которого можно определить из графика, показанного на рис.8.
Для рассмотренного выше случая рабочая частота, равная 1кГц, достигается подключением внешнего конденсатора емкостью С OSC =100пф. При применении этого способа необходимо учитывать, что при С OSC , большей чем 1000пф, емкость конденсаторов С1 и С2 необходимо увеличить до 100 мкф.
Рассмотренный способ изменения частоты генератора применяется в микромощных устройствах для обеспечения высокого коэффициента полезного действия преобразователя.
В ряде случаев рабочую частоту преобразователя необходимо увеличивать. В этих случаях можно применять С1 и С2 меньшей емкости и, следовательно, с меньшими габаритами. Кроме того, при этом снижаются уровни помех от генератора в аудиосистемах. Наиболее просто увеличение частоты достигается с помощью вывода Boost микросхемы MAX1044. При замыкании ключа S1 (рис.3) рабочая частота микросхемы возрастает в 6 раз.
Режим пониженного энергопотребления
При работе в дежурном режиме необходимо снижать потребляемую преобразователем мощность. Некоторые микросхемы имеют вход SD, с помощью которого можно снижать потребляемый ток до единиц микроампер. Режим пониженного энергопотребления можно реализовать также с помощью входа OSC. Варианты реализации этого режима при использовании обычных логических элементов, логических элементов с открытым стоком (коллектором), а также имеющих третье состояние показаны на рис.17.
Микросхемы преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах выпускаются рядом фирм: Maxim, National Semiconductor, Microchip и др. Эти микросхемы имеют одинаковый принцип действия и отличаются реализуемыми функциями, электрическими параметрами и конструктивным исполнением. Несомненным лидером в этой области является фирма Maxim, которая выпускает наиболее широкую номенклатуру микросхем преобразователей. В таблице 2 приведены характеристики некоторых из микросхем, выпускаемых различными фирмами.
Таблица 2. Краткие характеристики микросхем.
| Тип микросхемы | Реализованные функции | Выходной ток (мА) | Входное напряжение V IN (В) | Частота (кГц) | Ток потребления (мкА) | Примечание |
| ICL7660 TC7660 LMC7660 | -(V IN) или 2(V IN) или ½(V IN) | 20 | 1,5÷10 | 10 | 250 | |
| MAX889 | (-2,5В) (-V IN) | 200 | 2,7÷5,5 | 2000 | 50000 | Встроенная функция Shutdown |
| MAX1680 MAX1681 | -(V IN) или 2(V IN) | 125 | 2÷5,5 | 125÷200 500÷1000 | 30000 | |
| MAX680 | 2(V IN) и -2(V IN) | 10 | 2÷6 | 8 | 1000 | |
| MAX681 | 2(V IN) и -2(V IN) | 10 | 2÷6 | 8 | 1000 | Без внешних конденсаторов |
| MAX1673 | 3В | 125 | 2÷5,5 | 350 | 16000 | |
| LM3350 | 3/2(V IN) или 2/3(V IN) | 50 | 1,5÷5,5 | 1600 | ||
| LM3352 | 2,5В; 3В или 3,3В | 200 | 2,5÷5,5 | 1000 | ||
| MAX870 | -(V IN) или 2(V IN) или ½(V IN) | 50 | 1,6÷5,5 | 56÷194 | 1000 | |
| MAX864 | 2(V IN) и -2(V IN) | 100 | 1,75÷6 | 7÷185 | 5000 | Встроенная функция Shutdown |
Примечание: микросхемы MAX, ICL - фирмы MAXIM; LM, LMC - National Semiconductor; TC - Microchip.
Из таблицы видно, что преобразователи на коммутируемых конденсаторах могут работать в режимах инвертора, удвоителя, делителя входного напряжения на два, позволяют формировать на выходе одновременно несколько напряжений. Некоторые микросхемы имеют встроенные стабилизаторы напряжения. Рассмотренные микросхемы находят широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах, пейджерах, переносных приборах и других устройствах. В радиолюбительской практике они могут применяться, например, для формирования разнополярных напряжений питания операционных усилителей, реализации буферного питания электронных устройств от одного аккумуляторного элемента, формирования напряжения питания ЖКИ и др. Малые габариты, высокие коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия, отсутствие индуктивностей, обратимые свойства являются весьма привлекательными для применения рассмотренных преобразователей при разработке различных электронных устройств.
Литература
- Maxim full-line CD-Catalog Version 5.0 2001 Edition.
- National Analog and interface products databook, 2001 Edition.
