Раздел 8. Электропитание

По типу питания радиоэлектронные устройства делят на “сетевые” и “батарейные». Все устройства, работающие от сети переменного тока, имеют в своем составе блок питания, превращающий сетевой переменный ток в одно или несколько постоянных напряжений, чаще всего стабилизированных. К “батарейным» до недавнего времени относили лишь носимую аппаратуру — портативные приемники, плейеры и магнитофоны. Но теперь этот ассортимент расширился — появились бесшнуровые и радиотелефоны, портативные радиостанции, устройства дистанционного управления и т. д. О различных источниках питания и пойдет рассказ в этой главе.

8.1. Гальванические элементы

Питание самодельных радиолюбительских устройств, потребляющих небольшую мощность, лучше и проще всего осуществить от гальванических элементов. Они незаменимы для портативных и переносных конструкций, например, карманных радиоприемников. Для правильного выбора и эксплуатации гальванических элементов необходимы минимальные сведения, которые мы кратко и сообщим читателю.

Электрический ток в гальваническом элементе вырабатывается в результате химической реакции между веществом электродов в присутствии электролита, который может быть в жидком или желеобразном состоянии. Скорость реакции прямо зависит от потребляемого тока, поэтому неработающий элемент может храниться довольно долго — от полугода до полутора лет. Тем не менее медленный саморазряд все же происходит, и “старые» элементы отдают меньшую энергию, чем «свежие». Для уменьшения саморазряда хранить элементы лучше при пониженной температуре и при малой влажности.

Устройство марганцево-цинкового элемента питания — Рис.58

Наибольшее распространение получили марганцево-цинковые элементы, конструкция которых упрощенно показана на рис. 58. В цинковый стаканчик (минусовый электрод) помещены электролит (раствор нашатыря) и угольный стержень (плюсовый электрод), окруженный мешочком с деполяризатором (обычно, перекись марганца). В процессе работы цинк растворяется в электролите, образуя на электродах разность потенциалов около 1,5 В. Одновременно на угольном электроде выделяется водород, для устранения которого служит деполяризатор, химически связывающий водород.
Основными параметрами гальванических элементов, указываемыми в справочниках, являются ЭДС, предельно допустимый разрядный ток и ёмкость. Ёмкость элемента определяют в ампер-часах, и она равна разрядному току, умноженному на продолжительность работы элемента до полной разрядки. Если, например, ёмкость элемента равна 1 А-ч, то при разрядном токе 40 мА элемент проработает около 25 ч.

Практическая граница разрядки элемента 0,9… 1 В и определяется в первую очередь работоспособностью аппаратуры при пониженном напряжении.

Ёмкость элемента во многом зависит от условий его разрядки. Так, например, при непрерывной разрядке сильным током она оказывается намного меньше, чем при разрядке слабым током и с перерывами. При низкой температуре ёмкость также значительно снижается.

В ряде случаев вместо ёмкости указывают продолжительность работы элемента при его разрядке на заданное сопротивление.

Разумеется, чем больше габариты элемента, тем больше его ёмкость. К примеру, ёмкость солевого марганцево-цинкового элемента типа 316 (“пальчикового», импортные элементы такого размера обозначаются R6 или АА) составляет 0.3…0.5 А-ч, в то время как ёмкость более габаритного элемента 373 (R20) достигает 2,5 А-ч. Ёмкость элементов со щелочным электролитом (А-316, на импортных — надпись “Alcaline») при тех же размерах в два-три раза больше.

Окисно-ртутные элементы выпускают в виде круглых “таблеток» и используют, например, в электронных часах. Они имеют большую удельную энергию и лучшую стабильность напряжения в процессе разрядки. Внутри стального корпуса находится цинковый минусовый электрод и плюсовый электрод из окиси ртути и графита (рис. 59). Электроды разделены пористой диафрагмой, пропитанной щелочным электролитом.

устройство окисло-ртутного элемента питания — Рис.59

Несмотря на то что современные элементы выпускают герметичными, электролит может “проесть» корпус элемента до дыр и вытечь в прибор, в котором установлен элемент. Коррозия проводников и деталей, вызванная попаданием электролита, трудно устранима, поэтому старые элементы следует вовремя заменять, и ни в коем случае не оставлять в приборе при длительных перерывах в эксплуатации.

8.2. Аккумуляторы

При разрядке аккумулятора происходит обратимая химическая реакция, и емкость аккумулятора можно восстановить, пропуская через него внешний ток в обратном направлении, заряжая аккумулятор. Наибольшее распространение получили кислотные и щелочные аккумуляторы, электролитом в которых служит водный раствор серной кислоты или едкого натрия (калия) соответственно. Напряжение кислотного аккумуляторного элемента — 2 В. электролитом служит водный раствор серной кислоты, плюсовые электроды выполнены из перекиси свинца, минусовые — из губчатого свинца.

Кислотный (свинцовый) аккумулятор заряжают током, примерно равным 0,1 от его номинальной ёмкости. К концу зарядки наблюдается обильное газовыделение, плотность электролита повышается, а напряжение на элементах возрастает до 2,6…2.8 В. При разрядке напряжение элементов быстро понижается до 2 В и долго остается на этом уровне. Дальнейшее снижение напряжения свидетельствует о полной разрядке. Разрядка ниже 1,8 В и длительное хранение разряженного аккумулятора недопустимы, поскольку приводят к необратимым изменениям (сульфатации) пластин и потере ёмкости.

Щелочные аккумуляторы неприхотливы, допускают большие зарядно-разрядные токи, выдерживают хранение в разряженном состоянии, однако напряжение на один элемент составляет всего 1.2 В. По составу пластин различают железо-никелевые (самые дешевые), никель-кадмиевые и серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Зарядку щелочных аккумуляторов ведут током 0,1 от номинальной ёмкости в течение 10 часов. После прекращения зарядки напряжение аккумулятора должно быть около 1,4 В. Свидетельством окончания разрядки служит снижение напряжения элементов до 0,9… 1 В.

Для питания различной малогабаритной и портативной аппаратуры широко применяют никель-кадмиевые аккумуляторы. Их выпускают как в цилиндрических корпусах в виде “стаканчиков» (и могут заменять аналогичные по размерам гальванические элементы), так и в виде “таблеток» (дисковые аккумуляторы).

Особенно высокими параметрами обладают серебряно-цинковые аккумуляторы, но они и самые дорогие. У них больше удельная ёмкость и допустимый разрядный ток, достигающий 0,5 А на квадратный сантиметр площади пластин. Их широко используют в космической технике.

Чтобы получить необходимое напряжение питания (обычно 6, 9 или 12 В), гальванические элементы и аккумуляторы соединяют последовательно в батарею. Параллельное соединение элементов (для увеличения разрядного тока) не используют из-за большой опасности разрядки одного элемента на другой.

8.3. Солнечные элементы и батареи

Вскоре после появления полупроводниковых диодов было замечено, что освещение р-n перехода изменяет контактную разность потенциалов, и на выводах диода появляется некоторое напряжение. Были созданы полупроводниковые фотоэлементы — фотодиоды, вырабатывающие электрический сигнал при попадании на них света. Тот же эффект используется и в солнечных элементах, способных вырабатывать значительное количество электроэнергии. Площадь р-n перехода в них делают достаточно большой, порядка нескольких квадратных сантиметров (рис. 60), а толщину диффузионной р-области — достаточно малой, чтобы свет беспрепятственно попадал к переходу.
Напряжение, вырабатываемое одним кремниевым фотоэлементом, составляет около 0.5 В, ток нагрузки может достигать десятков миллиампер. Элементы соединяют последовательно и параллельно для получения необходимых напряжений и токов. КПД преобразования световой энергии в электрическую у солнечных элементов доходит до 10 %, что очень неплохо. Учитывая практически неограниченный срок службы, простоту устройства и отсутствие подвижных частей, для некоторых применений они являются перспективным источником питания. Недостаток у солнечных батарей один — они бездействуют в темноте!

Небольшие батареи из нескольких элементов с успехом обеспечивают питание карманного калькулятора с жидкокристаллическим дисплеем, потребляющим небольшую мощность. Более крупные батареи, размером с почтовую открытку, способны питать транзисторный радиоприемник.

Выпускают также панели солнечных элементов в одном корпусе с аккумуляторами — они заряжаются на свету днем и обеспечивают питание устройств в течении суток.

По такому же принципу устроены системы электропитания космических кораблей. После выхода на орбиту разворачиваются большие панели солнечных батарей, питающих всю электронику корабля и подзаряжающие буферные аккумуляторы. На околоземной орбите поток солнечного излучения достигает 1350 Вт/м2. С учетом КПД 1 м2 панелей отдает мощность примерно 140 Вт.

8.4. Сетевые блоки питания с трансформатором

При питании электронных устройств от сети необходимо прежде всего преобразовать напряжение 220В в требуемое, обычно значительно более низкое, и обеспечить гальваническую развязку (отсутствие непосредственного контакта) с сетью. Обе эти функции выполняет сетевой трансформатор. Нужны, как правило, постоянные напряжения питания, поэтому следующая задача — превратить переменное напряжение частотой 50 Гц в постоянное. Это — функция выпрямителя со сглаживающим фильтром.

Рассмотрим сначала трансформатор (рис. 61). Поскольку частота сети достаточно низка, используют магнитопроводы (сердечники) из штампованных Ш-образных пластин трансформаторной стали. Реже применяют витые разрезные или тороидальные магнитопроводы из тонкой стальной ленты. Размер магнитопровода определяет мощность трансформатора, а следовательно, и всего блока питания. Ориентировочно считают, что для магнитопроводов из штампованных пластин мощность в ваттах равна квадрату площади окна катушек (в см3).

Числа витков обмоток должны быть пропорциональны напряжениям на их выводах. Коэффициент пропорциональности — число витков на вольт. Оно определяется опять-таки сечением магнитопровода S и находится по эмпирической формуле 40…45/S. Если число витков на вольт недостаточно, резко возрастает ток холостого хода первичной обмотки и поле рассеяния трансформатора, создающее наводки на чувствительные каскады радиоаппаратуры, возрастает и нагрев провода.

В качестве примера допустим, что нужен трансформатор на 12В с током нагрузки 1А. Его мощность составит 12 Вт, и площадь сечения магнитопровода должна быть не менее 3.5 см2. Подойдут пластины Ш12 при толщине набора 30 мм или Ш16 при толщине 23 мм Число витков на вольт составит 14. Следовательно, первичная обмотка должна содержать 220×14=3080 витков, вторичная — 12×14=168 витков. Для компенсации падения напряжения на сопротивлении проводов число витков вторичной обмотки увеличивают на 5… 10%, то есть надо его увеличить до 180 витков.

Теперь о диаметре провода. Допустимая плотность тока в проводе маломощных трансформаторов равна 2,5 А/мм2. Отсюда .

В нашем примере диаметр провода вторичной обмотки составит 0.7 мм. Ток в первичной обмотке будет во столько раз меньше, во сколько ее напряжение больше, то есть 1А х 12/220=55 мА. Но надо учесть ещё и ток холостого хода порядка 15…20мА и отсюда сосчитать диаметр провода первичной обмотки. Он получается около 0.18 мм.

Самостоятельно намотать трансформатор несложно, но часто радиолюбители стараются подобрать подходящий готовый трансформатор. Это сделать несложно. Даже если данные трансформатора неизвестны, можно омметром определить выводы обмоток и затем на самую высокоомную подать переменное напряжение, но не 220, а 20..30 В. Измерив вольтметром переменного тока напряжения на других обмотках, определяют коэффициенты трансформации.

Допустимо ли подавать на первичную обмотку 220 В? Это можно определить, измеряя ток холостого хода первичной обмотки, постепенно повышая напряжение на ней. Ток холостого хода не должен при этом превышать 50% номинального (под нагрузкой) для самых маломощных трансформаторов и 10…20 % для более мощных.

Если трансформатор подходит по напряжениям обмоток, его надо нагрузить номинальным током, используя, например, лампы накаливания, и дать поработать несколько часов. Отсутствие чрезмерного нагрева укажет на пригодность трансформатора.

8.5. Выпрямители

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют выпрямители на полупроводниковых диодах. Простейший однополупериодный выпрямитель на одном диоде (рис. 62) используют лишь при малых токах, высоких нагрузочных сопротивлениях и низких требованиях к пульсациям выходного напряжения. Главный же его недостаток состоит в том, что постоянный выпрямленный ток, протекая через вторичную обмотку трансформатора, создает постоянное подмагничивание магнитопровода и тем самым ухудшает его работу.

На выходе выпрямителя включают оксидный конденсатор большой ёмкости, сглаживающий пульсации. Не будь его, напряжение на выходе выпрямителя имело бы вид синусоидальных полуволн, как показано на рис. 63 штриховой линией — ведь диод пропускает только положительную полуволну напряжения на вторичной обмотке трансформатора. При наличии сглаживающего конденсатора С1 напряжение на выходе будет иметь вид, показанный на рисунке сплошной пинией. Оно состоит из постоянного напряжения U и переменного напряжения пульсаций Uпульс. Частота пульсаций равна частоте сети — 50 Гц, а период Т составляет 0,02 с.

Амплитуду пульсаций можно оценить, заметив, что разрядка конденсатора С1 на нагрузку (питаемое устройство) происходит по экспоненциальному закону: , где R — сопротивление нагрузки, равное выпрямленному напряжению (В), деленному на потребляемый ток (А), а С — ёмкость конденсатора С1 (Ф). Если постоянная времени, равная произведению RC. больше Т, приближенно выполняется соотношение Uпульс=T*Iн/С, где Iн — ток нагрузки. Видим, что пульсации уменьшаются при увеличении сопротивления нагрузки выпрямителя (т. е. при уменьшении потребляемого тока) и ёмкости сглаживающего конденсатора. В особых случаях применяют более сложные сглаживающие фильтры, содержащие последовательно включенный резистор или дроссель и дополнительный сглаживающий конденсатор.

Более совершенен двухполупериодный выпрямитель (рис. 64). Вторичная обмотка трансформатора рассчитывается на удвоенное напряжение, но имеет отвод от середины, то есть состоит как бы из двух одинаковых обмоток (начала их показаны точками). Во время одной полуволны напряжения открыт диод VD1, а во время другой—VD2. Постоянное подмагничивание магнитопровода трансформатора теперь отсутствует, так как токи в половинах вторичной обмотки направлены в разные стороны, а частота пульсаций на выходе равна 100 Гц, что позволяет примерно вдвое уменьшить ёмкость С1 конденсатора С1. Половины вторичной обмотки также рассчитываются на вдвое меньший ток.

Другая разновидность двухполупериодного выпрямителя — мостовой (рис. 65) содержащий четыре диода и только одну вторичную обмотку. При каждой полуволне переменного напряжения работают два диода, включенных в противоположные диагонали моста. Эта схема получила наибольшее распространение, для таких выпрямителей выпускаются специальные сборки из четырех диодов, включенных по мостовой схеме.

При расчете трансформатора оперируют с эффективными значениями напряжения на обмотках. Постоянное напряжение на сглаживающем конденсаторе выпрямителя без нагрузки равно амплитудному значению Um, то есть в 1.41 раз больше (подробно в статье здесь). Например, если вторичная обмотка рассчитана на напряжение 12В (2х12 В для схемы рис. 64), напряжение холостого хода выпрямителя составит около 17 В. Под нагрузкой оно несколько уменьшается из-за падения на прямом сопротивлении диодов и на сопротивлении обмоток.

Диоды выпрямителя характеризуются допустимыми прямым током и обратным напряжением (для диодов Д7А, например, это будет 0.3 А и 50 В). Для однополупериодного выпрямителя (рис. 62) прямой ток диода должен быть не меньше, чем ток, потребляемый нагрузкой, а обратное напряжение — не меньше 2Um. В двухполупериодном выпрямителе два диода работают поочередно, поэтому допустимый прямой ток диодов может быть вдвое меньше, а обратное напряжение — такое же. В мостовой схеме (рис. 65) прямой ток равен половине выпрямленного, а обратное напряжение — Um. Диоды обычно выбирают с некоторым запасом по прямому току и обратному напряжению.

Из других интересных схем выпрямителей надо упомянуть схему с удвоением напряжения (рис. 66). Она содержит как бы два однополупериодных выпрямителя. включенных по входу параллельно, а по выходу — последовательно (такой же принцип использован и в умножителях большей кратности). Выпрямленное напряжение здесь достигает 2Um, но нужны два сглаживающих конденсатора значительной ёмкости.

Иногда требуется выпрямитель, создающий относительно общего провода два одинаковых по величине, но разнополярных напряжения (для питания операционных усилителей, некоторых УМЗЧ и т. д.). В этом случае удобно объединить два выпрямителя по схеме рис. 64. но с обратным включением диодов и конденсатора во втором выпрямителе. Что в этом случае получится, показано на
рис. 67. Диоды образовали обычный мост, а средние точки вторичной обмотки и конденсаторов соединены с общим проводом.

выпрямитель для двухполярного питания — Рис.67

Читайте также статью: «Расчет сетевого трансформатора«.

8.6. Стабилизаторы напряжения

При изменениях напряжения сети и тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя также изменяется, причем иногда значительно. В ряде случаев {например, при питании оконечного каскада УМЗЧ) это вполне допустимо, а вот, скажем, для радиоприемников, генераторов и других радиоэлектронных устройств напряжение должно быть стабильным при изменении тока нагрузки. Здесь без стабилизатора не обойтись. Одновременно этот прибор выполняет и другую функцию — снижает до минимума пульсации питающего напряжения.

Основа простейшего стабилизатора (рис. 68,а) — цепочка из резистора R1 и стабилитрона VD1. Стабилитрон — это специальный диод, включенный в обратной полярности и работающий в режиме лавинного обратимого пробоя. Если повышать обратное напряжение на стабилитроне, то сначала ток будет небольшим, а по достижении напряжения стабилизации (об этом указывается в справочных данных) резко возрастет. Чтобы ограничить возрастание тока через стабилитрон, его включают через резистор R1 (это так называемый балластный резистор). Рассчитывают ток через стабилитрон по формуле I=(U_ВХ-U_СТ)/R. Таким образом, входное напряжение должно быть всегда больше выходного, стабилизированного.

При питании маломощных устройств часто обходятся таким простейшим стабилизатором, снимая выходное напряжение со стабилитрона. При расчете по данной формуле ток I должен включать в себя как ток стабилитрона (обычно 5…20 мА), так и ток нагрузки (такого же порядка).

При большем токе нагрузки используют дополнительный транзистор VT1, включенный как эмиттерный повторитель (рис. 68,б). Он «повторяет” на нагрузке стабилизированное напряжение базы. Выходное напряжение U_СТ примерно на 0,7 В (падение напряжения на переходе база—эмиттер) меньше паспортного напряжения стабилизации стабилитрона. При больших токах нагрузки используют составной транзистор.

Схема более совершенного стабилизатора приведена на рис. 69. Стабилитрон VD1 выбирают на напряжение, примерно равное половине выходного стабилизированного U_СТ. Такое же напряжение подают и на базу маломощного управляющего транзистора VT2 с делителя напряжения R2—R4. Если по каким-либо причинам выходное напряжение понизится, это изменение полностью передастся через стабилитрон на эмиттер транзистора VT2, в то время как на его базе изменение напряжения будет меньше. В результате транзистор приоткроется и его увеличившийся коллекторный ток откроет мощный регулирующий транзистор VT1, компенсируя падение выходного напряжения. При повышении выходного напряжения оба транзистора закрываются. Регулирование происходит, таким образом, благодаря сильной отрицательной обратной связи.

Поскольку управляющий сигнал вырабатывается из уже стабилизированного выходного напряжения, параметры стабилизатора при простой схеме получаются довольно высокими. Дополнительное достоинство стабилизатора в том, что он не боится коротких замыканий на выходе — при КЗ пропадает и управляющее напряжение, в результате чего оба транзистора закрываются. Ток срабатывания защиты зависит в основном от тока стабилитрона, который подбирают резистором R1.

Конструкций стабилизаторов напряжения много, но все они обладают существенным недостатком — входное напряжение должно быть выше выходного стабилизированного, при одном и том же токе, в итоге часть мощности выпрямителя превращается в тепло и рассеивается на теплоотводе регулирующего транзистора. Этот недостаток устранен в импульсных стабилизаторах, имеющих высокий КПД.

8.7. Импульсные источники питания

Традиционные блоки питания с низкочастотным трансформатором, выпрямителем и стабилизатором просты, надежны, практически не создают помех, но при большой выходной мощности имеют значительные габариты, массу и низкий КПД. Эти недостатки особенно заметны при больших мощностях. Размеры и масса трансформатора, а также емкости сглаживающих конденсаторов уменьшаются при повышении частоты питающей сети. В связи с этим некоторые местные электросети, особенно военного назначения, имеют повышенную частоту (400 Гц).

В бытовой аппаратуре, в частности в современных телевизорах и компьютерах, используют импульсные блоки питания (рис. 70), принцип действия которых состоит в следующем. Сетевое напряжение 220 В выпрямляется диодным мостом VD1— VD4. Получившееся постоянное напряжение примерно 300 В подается на генератор, вырабатывающий последовательность импульсов, питающих малогабаритный импульсный трансформатор T1 на магнитопроводе из феррита. Он и обеспечивает гальваническую развязку питаемой аппаратуры от сети.

Чтобы уменьшить проникновение импульсных помех в питающую сеть, обязательно устанавливают фильтр, содержащий дроссели Lф и конденсаторы Сф. Резистор R1 нужен для ограничения тока через диоды выпрямителя в момент включения, когда оксидный конденсатор С1 (емкостью до 100 мкФ и более) еще не заряжен. Керамический конденсатор С2 значительно меньшей емкости уменьшает высокочастотные пульсации выпрямленного напряжения при работе генератора.

Мощный высоковольтный транзистор VT1 работает в ключевом режиме с высоким КПД. Он открывается импульсами генератора и создает ток в первичной обмотке трансформатора. Импульсное напряжение со вторичных обмоток (III и IV) выпрямляется и сглаживается. Еще одна обмотка (II) питает цепь стабилизации, которая управляет длительностью и/или частотой импульсов так, чтобы выходные напряжения, были стабилизированы.

В мощных импульсных блоках питания используют и двухтактные генераторы и выпрямители. Генераторы импульсов и цепи стабилизации (обозначенные прямоугольниками на рис. 70) часто выполняют в виде готовых интегральных схем.

Импульсные стабилизаторы напряжения выполняют по похожим схемам, но вместо трансформатора в них используют дроссели на ферритовых магнитопроводах. Рассмотрим схему понижающего преобразователя-стабилизатора (рис. 71), вырабатывающего, например, стабилизированное напряжение 5 В из нестабилизированного 12… 18 В. Он работает с высоким КПД (только при стабильном токе нагрузки), достигающим 90% и более. Это означает, что ток в нагрузке больше потребляемого!

Ключевой транзистор VT1 включается короткими импульсами от задающего генератора. Ток в дросселе L1 нарастает за время импульса до сравнительно большого значения (порядка тока нагрузки). Когда же по окончании импульса транзистор закрывается, ток в дросселе продолжает протекать через открывшийся диод VD1 до начала следующего импульса. При этом расходуется энергия, запасенная в магнитном поле дросселя.

Цепь стабилизации регулирует длительность или частоту повторения импульсов так, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Например, при возрастании выходного напряжения длительность импульсов уменьшается.

Учитывая, что импульсные стабилизаторы создают помехи, они требуют хорошей фильтрации напряжения на входе и выходе.

8.8. Преобразователи напряжения

В радиолюбительской практике иногда требуется получить из одного постоянного напряжения другое. Например, обеспечить заряд АКБ на 4,2 В от 12-вольтового источника питания, выполнить гальваническую развязку питания устройства, либо получить переменное напряжение 220 В для питания электронасоса при выезде на природу. Если в первом примере можно решить проблему с помощью делителей напряжения, то в остальных случаях понадобится преобразователь напряжения.

Преобразователи напряжения DC-DC и DC-AC выполняют по структурной схеме, приведенной на рис. 1.

структурная схема преобразователя DC-DC — Рис.1

Входное напряжение питает генератор, вырабатывающий переменное напряжение (синусоидальное, но чаще всего прямоугольной формы). Затем следует трансформатор, повышающий напряжение до необходимой величины. В преобразователе DC-AC этим всё и заканчивается, если нужно постоянное выходное напряжение, то устанавливают дополнительно выпрямитель. Часть выпрямленного напряжения может использоваться для управления параметрами генератора длч стабилизации работы преобразователя.
Различных типов преобразователей очень много, но всегда стремятся получить максимальный КПД, чтобы не расходовать зря энергию питающих батарей или аккумуляторов.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное (DC-DC конвертеры)

Первые преобразователи напряжения появились задолго до широкого внедрения полупроводников, еще в эпоху ламповой техники. Если нить накала лампы можно было питать от аккумулятора напряжением 2… 12 В, то для питания анодных цепей требовалось высокое (60…300 В) постоянное напряжение. Вместо дорогих и громоздких анодных батарей часто использовали механические преобразователи напряжения. Их было два вида: умформер, представляющий собой связанные одним валом электромотор и генератор, и вибропреобразователь — относительно маломощное устройство с вибрирующим якорем, на котором закреплялись контакты, переключавшие полярность входного постоянного напряжения и превращавшие его в переменное.

Недостатки вибропреобразователя очевидны — быстрый механический износ контактов, искрение и громкий звук, издаваемый при работе. Как только появились транзисторы достаточной мощности, на них стали строить генераторы, отказавшись от применения вибропреобразователей.

Важно отметить, что на идеальных контактах никакой мощности не рассеивается: при замкнутых контактах ток через них протекает, но напряжение на контактах равно нулю. Когда же контакты разомкнуты, ток через них равен нулю.

Желательно, чтобы и транзисторы работали в таком же режиме, который называется ключевым. Транзистор должен быстро открываться до насыщения и также быстро и полностью закрываться. Тогда рассеиваемая на нем мощность будет небольшой, а КПД всего преобразователя — максимальным.

На рисунке 2 показана принципиальная схема классического двухтактного автогенераторного преобразователя. Построение на транзисторах p-n-p типа предпочтительнее, так как в этом случае их можно устанавливать на общий радиатор без дополнительных теплопроводящих изоляторов.

Работает такой преобразователь следующим образом. Плюсовое напряжение низковольтного источника подаётся на эмиттеры транзисторов через секции Iа и Ib симметричной первичной обмотки. Для возбуждения колебаний служат дополнительные секции обратной связи Ic и ld, через которые протекает только относительно небольшой базовый ток транзисторов.

Делители напряжения R1R2 и R3R4 подают на базы транзисторов небольшое начальное смещение, обеспечивающее запуск (которому в целом способствует разброс параметров транзисторов, из-за чего один транзистор начинает открываться быстрее другого), преобразователя. Конденсаторы С1 и С2 ускоряют процесс переключения, повышая КПД преобразователя.

После запуска резисторы R1 и R3 можно отключить — преобразователь продолжит работу и даже несколько возрастет КПД. В некоторых конструкциях делают специальную кнопку запуска, подключающую один из резисторов только при «старте». Преобразователь с кнопкой не боится коротких замыканий на выходе: колебания срываются, и ток через транзисторы не протекает, поскольку нет напряжения смещения.
Легко видеть, что каждое плечо преобразователя является автогенератором, собранным по схеме индуктивной трехточки. Действительно, переменное напряжение с верхнего (по схеме) вывода секции Iс приложено к базе транзистора VT1 и повторяется (с коэффициентом передачи чуть меньше единицы) на эмиттере. Затем оно увеличивается автотрансформатором, образованным секциями Iа и Iс. Коэффициент передачи по петле обратной связи оказывается больше единицы, что и требуется для возбуждения колебаний. Аналогично работает и нижнее плечо с транзистором VT2.

Работу преобразователя можно пояснить и по-другому. После включения питания через транзисторы начинает протекать ток. Пусть, в силу случайных причин, через транзистор VT1 он окажется немного больше. Тогда из-за индуктивного сопротивления секции Iа напряжение на эмиттере упадет, а на базе упадет еще больше, поскольку к ней приложено еще и напряжение с секции Iс. Напряжение на базе окажется минусовым по отношению к эмиттеру, и транзистор откроется еще сильнее. Лавинообразное падение напряжения на эмиттере приведет к полному открыванию (насыщению) транзистора VT1 и к полному закрыванию транзистора VT2, поскольку к его базе будет приложено плюсовое напряжение относительно эмиттера, индуцированное в секции Id.

Такое состояние будет продолжаться, формируя плоскую вершину импульса, пока нарастающий ток через секцию Ia не введет магнитопровод трансформатора в насыщение. Тогда наведенные в секциях ЭДС резко уменьшатся, транзистор VT1 выйдет из насыщения, a VT2 откроется. Возникший лавинообразный процесс переключения приведет к полному закрыванию транзистора VT1 и насыщению VT2, при этом будет формироваться вторая полуволна прямоугольного напряжения.

Повышенное напряжение с обмотки II трансформатора выпрямляется мостом из диодов VD1—VD4 и сглаживается конденсатором С3. При указанных на рис. 2 номиналах элементов преобразователь развивает мощность около 20 Вт. Транзисторы П217 (с любым индексом) можно заменить КТ814, увеличив сопротивления резисторов R2 и R4 до 51—68 Ом.

Трансформатор Т1 намотан на двух сложенных вместе кольцах К31х18х7 из феррита 2000 НМ. Секции Ia и Ib первичной обмотки содержат по 23 витка провода ПЭЛ 0,8, Ic и Id — по 4 витка ПЭЛ 0,44. Обмотка II имеет 560 витков провода ПЭЛШО 0,25. Частота генерации получилась около 4 кГц, ток, потребляемый преобразователем на холостом ходу, не превосходит 0,25 А.

Преобразователь без трансформатора

Если напряжение надо повысить всего в 2…3 раза, можно обойтись без трансформатора, используя умножитель напряжения. Он особенно удобен, если в устройстве уже есть генератор симметричных прямоугольных колебаний (“меандра»). Эти колебания с размахом от 0 до Uвх подают на базы двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах VT1, VT2. Транзисторы должны обеспечивать ток, превышающий ток нагрузки преобразователя во столько раз. во сколько необходимо умножить напряжение.

Выходное прямоугольное напряжение подается на умножитель, включенный последовательно с источником питания. Работает он так: когда напряжение на эмиттерах транзисторов падает до нуля, конденсатор С2 заряжается через диод VD1 до напряжения Uвx. В следующий полупериод напряжение на эмиттерах возрастает примерно до Uвх, а на правой по схеме обкладке С2—до 2Uвх. Через диод VD2 оно заряжает конденсатор СЗ и передается на первый выход преобразователя.

После первых двух диодов умножителя получается удвоенное напряжение питания 2Uвх (удобно использовать для получения напряжения 24 В при 12-вольтовом питании). Каскадов умножения может быть и больше. Ёмкость конденсаторов С1, С2 и т. д. зависит от частоты и тока нагрузки, она должна быть такой, чтобы не наблюдалось заметного спада вершин прямоугольных импульсов.

Маломощные высоковольтные преобразователи

Высокое напряжение необходимо для питания счетчиков радиационных излучений, различных ионизаторов воздуха и пылеуловителей, анодов ЭЛТ в осциллографах. Потребляемые токи
обычно невелики, а поэтому преобразователь будет маломощным. В генераторе такого преобразователя целесообразно использовать блокинг-генератор.

Как он работает? Ток смешения, протекающий через резистор R1 в базу транзистора VT1, приоткрывает транзистор. Через обмотку I протекает нарастающий ток и индуцирует в обмотке обратной связи II ЭДС, приложенную через конденсатор С1 «плюсом” к базе. Транзистор лавинообразно открывается, напряжение на его коллекторе падает почти до нуля, а ток через обмотку I продолжает нарастать до тех пор. пока либо не насытится сердечник трансформатора, либо не зарядится полностью конденсатор С1 Тогда положительное напряжение обратной связи на базе транзистора понизится, уменьшая коллекторный ток, и возникнет лавинообразный процесс закрывания транзистора, приводящий к резкой отсечке коллекторного тока. На коллекторе сформируется положительный импульс напряжения, превосходящий иногда в десятки раз напряжение питания. На повышающей обмотке трансформатора III этот импульс будет еще больше, и его остается только выпрямить диодом VD1.

В этом устройстве надо использовать транзисторы с достаточно высоким допустимым коллекторным напряжением. Для защиты транзистора от случайного пробоя (например, при отключении нагрузки) параллельно первичной обмотке подключают стабилитрон, а можно даже неоновую лампу—она ограничит амплитуду импульса на уровне напряжения зажигания (60…80 В). Длительность импульса блокинг-генератора регулируют
подбором конденсатора С1, а частоту повторения — подбором резистора R1.

На рисунке в качестве примера приведены данные преобразователя для питания варикапов настройки УКВ приемника. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольцевом магнитопроводе К10x6x4 с магнитной проницаемостью 1000 — 2000. Обмотки I, II и III содержат 12, 3 и 60 витков любого тонкого изолированного провода. От источника напряжением 6 В преобразователь потребляет ток всего 0,5 мА, развивая на выходе напряжение до 40 В при токе порядка 5 мкА. Длительность импульсов составляет около 2 мкс, частота повторения —12,5 кГц.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное (DC-АC конвертеры)

Обычно требуется переменное напряжение вполне определенной частоты и формы. Однако для питания в автомобиле, скажем, электробритвы с коллекторным электродвигателем частота не критична, подойдет напряжение прямоугольной формы амплитудой 110…220 В.

Требования к частоте и форме выходного напряжения преобразователя для питания небольшого телевизора, или в другом ответственном случае, гораздо жестче. Стараются выдержать стандартную сетевую частоту 50 Гци получить выходное напряжение синусоидальной формы. Если заставить выходные транзисторы преобразователя усиливать или генерировать синусоидальный сигнал, КПД не превысит 60…70 %, как в двухтактных УМЗЧ класса В. Часто идут другим путем — уменьшают длительность импульсов обеих полярностей в двухтактном ключевом преобразователе, как показано на рис. 5.

Здесь не обойтись без задающего генератора, вырабатывающего на двух выходах последовательности импульсов с частотой 50 Гц и со скважностью (отношением периода к длительности) более 2 (смотрите дополнительно пример реализации данного устройства).

Сконструировать такой генератор на современных цифровых микросхемах не составляет особой сложности. Итак, транзисторы VT1 и VT2 открываются поочередно, причем один — через некоторое время после того, как закроется другой.

В момент закрывания транзистора VT1 на его коллекторе формируется положительный выброс напряжения, как в блокинг-генераторе. Этот ненужный в данном случае выброс «срезает» диод VD2 — на его катоде выброс, инвертированный первичной обмоткой трансформатора, имеет отрицательную полярность и открывает диод. Происходит «переброс тока» из верхней (по схеме) половины первичной обмотки в нижнюю, и ток плавно спадает, протекая по цепи: общий провод — диод VD2 — половина первичной обмотки — шина +Uвх. После спадания тока открывается транзистор VT2, и ток в обмотке течет в другую сторону. Выброс напряжения при закрывании VT2 аналогичным образом “срезает» диод VD1.

Хотя полученная на вторичной обмотке ступенчатая форма напряжения—довольно «корявое” приближение к синусоиде, большинство сетевых приборов ее вполне допускает. Более «гладкую» форму напряжения получают включением между вторичной обмоткой и нагрузкой LC-фильтра нижних частот, допускающего соответствующие нагрузке мощности и токи.

Конкретных данных этого преобразователя мы не приводим, поскольку они зависят от мощности нагрузки, Входная мощность будет, с учетом КПД, на 10—30 % больше. Транзисторы и диоды выбирают с предельно допустимым током и напряжением не менее 2 — 2,5 Iвх и Uвх соответственно. Задающий генератор должен отдавать ток, достаточный для насыщения транзисторов. В качестве Т1 допустимо использовать подходящий по мощности и напряжениям обмоток силовой трансформатор от сетевых блоков питания и маломощных ИБП. В качестве транзисторов хорошо работают полевые MOSFET.