ПОНИЖАЮЩИЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
REDUCING CAPACITOR VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для преобразования постоянного напряжения на входе в постоянное напряжение на выходе с понижением напряжения в целое число раз. Может найти применение в источниках электропитания различной электронной аппаратуры.
Известен преобразователь переменного тока в постоянный с понижением напряжения (см. авторское свидетельство СССР №1182613, «Преобразователь переменного тока в постоянный с понижением напряжения», М.И. Богданович, А.В. Поляков, опубликовано 30.09.85, БИ №36), содержащий два конденсаторно-диодных блока, каждый из которых состоит из n ступеней, причем в каждом блоке первая обкладка конденсатора каждой ступени соединена с анодом первого диода, вторая обкладка конденсатора каждой из n-1 ступени подключена к аноду второго и катоду третьего диодов, катод второго диода каждой из n-1 ступени соединен с первой обкладкой конденсатора следующей ступени, катоды первых диодов всех ступеней объединены в общую точку, подключенную через ключевой элемент к одному из выходных выводов, аноды третьих диодов всех n-1 ступеней объединены в общую точку, соединенную с другим выходным выводом, и четыре дополнительных вентиля, два из которых неуправляемые, причем первая обкладка конденсатора первой ступени каждого блока соединена с катодом одного из неуправляемых вентилей, анод каждого из которых соединен с одним из входных выводов для подключения источника переменного тока, а параллельно выходным выводам включен сглаживающий конденсатор. Два других дополнительных вентиля выполнены неуправляемыми, их аноды объединены в общую точку, соединенную со второй обкладкой конденсатора n-ой ступени каждого из указанных блоков и с вторым выходным выводом, а катод каждого из них соединен с одним из соответствующих входных выводов.
Недостатком данного устройства является невозможность его работы при подключении к источнику постоянного тока. Для обеспечения работы преобразователя, между источником постоянного тока и входными выводами преобразователя необходимо устанавливать дополнительно преобразователь постоянного тока в переменный ток.
Известен понижающий конденсаторный преобразователь напряжения (см. книгу «Практическая схемотехника, книга 3. Преобразователи напряжения», Шустов М.А., М: «Альтекс-А», 2002, с. 24. рис. 2.10), содержащий четыре ключевых элемента, сглаживающий конденсатор и n конденсаторно-диодных ступеней. Первая обкладка конденсатора первой ступени подключена через первый ключевой элемент к одному из входных выводов. Первая обкладка конденсатора каждой ступени соединена с анодом первого диода, вторая обкладка конденсатора каждой из n-1 ступени подключена к аноду второго и катоду третьего диодов, катод второго диода каждой из n-1 ступени соединен с первой обкладкой конденсатора следующей ступени, катоды первых диодов всех ступеней объединены в общую точку, подключенную через второй ключевой элемент к одному из выходных выводов, аноды третьих диодов всех n-1 ступеней объединены в общую точку, соединенную через третий ключевой элемент с другим выходным выводом. Вторая обкладка конденсатора n-ой ступени подключена через четвертый ключевой элемент к другому входному выводу. Между выходными выводами включен сглаживающий конденсатор.
Недостатком данного устройства является сложность, обусловленная содержанием избыточных элементов и необходимостью использования для управления ключевыми элементами генератора с двумя противофазными выходами.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание более простого устройства, лишенного избыточности и требующего однофазного управления ключевыми элементами.
Достигаемым техническим результатом является упрощение устройства за счет исключения избыточных диодов и ключевых элементов, совмещения функций сглаживающего конденсатора и конденсатора n-ой ступени, иной организации связей и выполнения ключевых элементов в виде полевых транзисторов, что позволило осуществлять управление ключевыми элементами по одному управляющему входу. Дополнительным техническим результатом является повышение КПД преобразователя, так как в прототипе токи заряда и разряда конденсаторов протекают через количество диодов на два больше и количество ключевых элементов на два больше, чем в заявляемом устройстве. Потери в прототипе соответственно выше.
Для достижения технического результата в понижающий конденсаторный преобразователь напряжения, содержащий два ключевых элемента, два входных вывода, два выходных вывода и конденсаторно-диодные ступени, анод первого диода первой ступени соединен через первый ключевой элемент с одним из входных выводов, первая обкладка конденсатора в каждой ступени, кроме первой и последней, соединена с анодом первого диода своей ступени, вторая обкладка конденсатора в каждой ступени, кроме последней, подключена к аноду второго и катоду третьего диодов своей ступени, катод второго диода каждой ступени, кроме последней, соединен с первой обкладкой конденсатора следующей ступени, катоды первых диодов всех ступеней, кроме последней, объединены между собой, первый вывод второго ключевого элемента подключен к одному из выходных выводов, аноды третьих диодов всех ступеней, кроме последней, объединены между собой, новым является то, что дополнительно введен резистор, через который анод первого диода первой ступени соединен с другим входным выводом, точкой соединения третьих диодов всех ступеней, кроме последней, второй обкладкой конденсатора последней ступени и вторым выходным выводом, первая обкладка конденсатора первой ступени соединена с катодом первого диода своей ступени, первая обкладка конденсатора последней ступени подключена к первому выходному выводу, ключевые элементы выполнены в виде полевых транзисторов, исток первого из которых является одним выводом первого ключевого элемента, а сток является другим выводом первого ключевого элемента и соединен с затвором второго полевого транзистора, исток которого является вторым выводом второго ключевого элемента, который соединен с катодом первого диода предпоследней ступени, а сток является первым выводом второго ключевого элемента, затвор первого полевого транзистора является тактовым входом устройства.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет упростить понижающий конденсаторный преобразователь напряжения за счет исключения сглаживающего конденсатора и передачи его функции конденсатору последней ступени, исключения первого и третьего диодов последней ступени, изменения функции первого диода первой ступени, исключения третьего и четвертого ключевых элементов и противофазного входа управления. Кроме того, указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить КПД преобразователя за счет вывода из процессов заряда и разряда конденсаторов исключенных элементов.
На фиг. 1 приведена схема понижающего конденсаторного преобразователя напряжения с управлением от внешнего генератора, на фиг. 2 - схема с управлением от встроенного автогенератора.
Понижающий конденсаторный преобразователь напряжения содержит два ключевых элемента 1 и 2, два входных вывода 3 и 4, два выходных вывода 5 и 6 и конденсаторно-диодные ступени 7-1, …, 7-n, анод первого диода 8 первой ступени соединен через первый ключевой элемент 1 с одним из входных выводов 3, первая обкладка конденсатора 9 каждой ступени 7-2, …, 7-(n-1), кроме первой 7-1 и последней 7-n, соединена с анодом первого диода 8 своей ступени, вторая обкладка конденсатора 9 в каждой ступени, кроме последней 7-n, подключена к аноду второго 10 и катоду третьего 11 диодов своей ступени, катод второго диода 10 каждой ступени, кроме последней 7-n, соединен с первой обкладкой конденсатора 9 следующей ступени, катоды первых диодов 8 всех ступеней, кроме последней 7-n, объединены между собой, первый вывод второго ключевого элемента 2 подключен к одному из выходных выводов 5, аноды третьих диодов 11 всех ступеней, кроме последней 7-n, объединены между собой. Через резистор 12 анод первого диода 8 первой ступени 7-1 соединен с другим входным выводом 4, точкой соединения третьих диодов 11 всех ступеней, кроме последней 7-n, второй обкладкой конденсатора 9 последней ступени 7-n и вторым выходным выводом 6. Первая обкладка конденсатора 9 первой ступени 7-1 соединена с катодом первого диода 8 своей ступени, первая обкладка конденсатора 9 последней ступени 7-n подключена к первому выходному выводу 5. Ключевые элементы 1 и 2 выполнены в виде полевых транзисторов, исток первого из которых является одним выводом первого ключевого элемента 1, а сток является другим выводом первого ключевого элемента 1 и соединен с затвором второго полевого транзистора, исток которого является вторым выводом второго ключевого элемента 2, который соединен с катодом первого диода 8 предпоследней ступени 7-(n-1), а сток является первым выводом второго ключевого элемента 2. Затвор первого полевого транзистора является тактовым входом 13 устройства.
В случае использования встроенного автогенератора для тактирования преобразователя (см. фигуру 2), автогенератор кроме первого ключевого элемента 1, входящего в его состав, содержит дифференциальный каскад на двух транзисторах 14, первый 15, второй 16 и третий 17 резисторные делители, интегрирующую RC-цепь 18 и резистор 19. Первый резисторный делитель 15 включен между входными выводами 3 и 4, его выход подключен к инверсному входу дифференциального каскада 14, к прямому входу которого подключен выход интегрирующей RC-цепи 18, вход которой соединен с выходом второго резисторного делителя 16, являющегося нагрузкой первого ключевого элемента 1 и эквивалентного резистору 12 на фигуре 1. Прямой выход дифференциального каскада 14 через третий резисторный делитель 17 подключен к входному выводу 3. Выход этого делителя соединен с управляющим входом первого ключевого элемента 1 (затвором первого полевого транзистора). Инверсный выход дифференциального каскада 14 соединен с его инверсным входом и, через резистор 19 - с выходом первого ключевого элемента 1.
Понижающий конденсаторный преобразователь напряжения с управлением от внешнего генератора (см. Фиг. 1) работает следующим образом.
Первый ключевой элемент 1 управляется импульсами, поступающими на тактовый вход 13 устройства, и управляет работой второго ключевого элемента 2 с помощью своей нагрузки, резистора 12, и первого диода 8 первой ступени 7-1, чем обеспечивается полная противофазность их работы.
В одном полупериоде тактовых импульсов ключевой элемент 1 открыт, и через него, первый диод 8 первой ступени 7-1 и вторые 10 диоды всех ступеней, кроме последней 7-n, протекает ток заряда конденсаторов 9 всех ступеней. При этом ключевой элемент 2 закрыт положительным напряжением, падающим на первом диоде 8 первой ступени 7-1. В другом полупериоде ключевой элемент 1 закрыт, а ключевой элемент 2 открыт разностью между близким к нулю напряжением на обесточенном резисторе 12 и напряжением на заряженном конденсаторе 9 первой ступени 7-1. При этом открываются первые диоды 8 (кроме первого диода 8 первой ступени 7-1, который закрыт) и третьи диоды 11 всех ступеней кроме последней 7-n, и конденсаторы 9 всех ступеней оказываются включенными параллельно. Поэтому ток их разряда через нагрузку в n раз превышает ток заряда, а выходное напряжение в n раз меньше входного (без учета потерь). Таким образом, данный преобразователь ведет себя как понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации, равным n. В отличие от обычного трансформатора, преобразующего переменное напряжение в переменное, заявляемое устройство преобразует постоянное напряжение в постоянное.
Понижающий конденсаторный преобразователь напряжения с управлением от встроенного автогенератора (см. Фиг. 2) работает аналогично. Разница заключается в том, что первый ключевой элемент 1 периодически открывается и закрывается не за счет внешнего тактирования, а за счет того, что является ключевым элементом автогенератора. При этом второй резисторный делитель 16 является эквивалентом резистора 12 на Фиг. 1. Интегрирующая RC-цепь 18 совместно с первым резисторным делителем 15 и дифференциальным каскадом 14 определяют длительность полупериодов работы автогенератора. С выхода третьего резисторного делителя 17 снимаются тактовые импульсы, управляющие ключевым элементом 1, а резистор 19 определяет ширину петли гистерезиса дифференциального каскада 14.
Проведено макетирование понижающего конденсаторного преобразователя напряжения на основе полевых транзисторов IRF4905, диодов КД212А, конденсаторов К52-1Б-50В-150 мкФ±20% и резистора С2-33Н-0,5-1,5 кОм±5%. В макете было реализовано две конденсаторно-диодных ступени. Макет испытан при входном напряжении в диапазоне от 20 до 30 В. При нагрузке 10 Ом КПД преобразователя составил 71%. Проведено также математическое моделирование схемы понижающего конденсаторного преобразователя напряжения с использованием программы АРС-Модель. Моделировались схемы с двумя и тремя конденсаторно-диодными ступенями, с кремниевыми диодами и диодами Шотки. В двухступенчатой схеме с диодами Шотки был достигнут КПД 85%. Испытания макета и математическое моделирование схемы подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.