Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016
Таким приложениям, как принтеры, лазерные волоконно-оптические системы и ионизаторы-очистители воздуха требуются сотни или даже тысячи вольт при очень небольшой мощности. Обратноходовые преобразователи и автотрансформаторные усилители вполне подходят для этих целей, однако требуют специальных трансформаторов и, что еще более нежелательно, высоковольтных компонентов. Решить эти проблемы может простой повышающий преобразователь с умножителем напряжения. Собранный из стандартной катушки индуктивности и низковольтных компонентов, он может обеспечить большой коэффициент повышения напряжения в режиме прерывистой проводимости.
Как работает повышающий преобразователь с удвоителем напряжения?
Рисунок 1 поясняет два режима работы повышающего преобразователя с удвоителем напряжения. Собственно повышающий преобразователь состоит из элементов L1, Q1, D3 и С3. Предположим, что преобразователь работает, и каждый выходной конденсатор (С2, С3) заряжен до напряжения VOUT/2. Зелеными стрелками на верхней половине рисунка показаны пути прохождения тока при включенном полевом транзисторе. При этом диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении, что позволяет передающему энергию конденсатору C1 зарядиться до потенциала, равного примерно VOUT/2. В течение этого периода ток в нагрузку отдают только конденсаторы С2 и С3.
 |
||
| Рисунок 1. | Два рабочих состояния повышающего преобразователя с удвоителем напряжения. |
|
Когда полевой транзистор Q1 выключен, ток течет по путям, показанным красными стрелками. По нижнему пути через D3 течет ток от дросселя, который заряжает C3 до уровня VOUT/2. Поскольку D3 открыт, напряжение на стоке полевого транзистора ограничено уровнем VOUT/2. Теперь С1, предварительно заряженный до напряжения VOUT/2, передает часть своей энергии через D1 в С2, перезаряжая его также до VOUT/2. Сумма напряжений конденсаторов С2 и С3 добавляется к VOUT. В течение этого периода С2 и С3 перезаряжаются, а ток нагрузки обеспечивается катушкой индуктивности.
В такой конфигурации повышающий преобразователь должен быть рассчитан на напряжение VOUT/2, но с удвоенным выходным током. Основным преимуществом этой топологии схемы является то, что уровни рабочих напряжений выпрямительных диодов, выходных конденсаторов, конденсатора, передающего энергию, и полевого транзистора здесь снижены до VOUT/2. Однако, поскольку мощность на выходе остается неизменной, полевой транзистор и дроссель будут работать почти при таком же пиковом токе и коэффициенте заполнения, как это было бы без удвоителя.
На Рисунке 2 приведен пример схемы утроителя напряжения, сделанного на основе показанного на Рисунке 1 удвоителя путем добавления одного дополнительного каскада. Поскольку напряжение умножается в три раза, каждый силовой каскад будет работать при 33% от выходного напряжения, что при напряжении 200 В составит 67 В. Это позволяет использовать распространенные 100-вольтоые компоненты с запасом по напряжению в 33%. При необходимости дальнейшего снижения требований к номинальным напряжениям компонентов количество каскадов умножителя может быть увеличено с сохранением того же выходного напряжения, или просто для его увеличения.
 |
||
| Рисунок 2. | Повышающий преобразователь с утроителем напряжения снижает требования к рабочим напряжениям компонентов. |
|
На Рисунке 3 приведены формы сигналов в контрольных точках ТР1, ТР2 и ТР3 при полной нагрузке и входном напряжении 15 В. Как и следовало ожидать, нижняя осциллограмма типична для повышающего преобразователя, работающего в прерывистом режиме при выходном напряжении 67 В. Формы двух верхних осциллограмм идентичны первой, но их уровни смещены каскадами умножителя на 67 В и 134 В. Пиковое напряжение верхнего сигнала (TP3) детектируется диодом D1 и заряжает выходные конденсаторы до напряжения 200 В.
 |
||
| Рисунок 3. | Осциллограммы сигналов схемы Рисунок 2 иллюстрируют смещение уровней в умножителе. |
|
На Рисунке 4 показан инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь с альтернативным расположением компонентов умножителя, позволяющим получить отрицательное выходное напряжение. Принцип работы аналогичен работе схемы на Рисунке 1.
 |
||
| Рисунок 4. | Инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь с альтернативным включением умножителя. |
|
Когда полевой транзистор Q1 открыт, входное напряжение приложено к индуктивности L1, в которой происходит накопление энергии, при этом конденсатор C1 через диод D2 заряжается до уровня |VIN+VOUT/2|. Напряжение на передающем энергию конденсаторе C1 выше, чем оно воспринимается повышающим преобразователем. После выключения Q1 диод D1 открывается накопленным в L1 током, как в стандартном инвертирующем понижающе-повышающем преобразователе, в результате чего напряжение на катоде D1 становится равным –VOUT/2. На этом отрезке времени D3 проводит ток, передавая накопленный в С1 заряд в С3. Хотя напряжения на С2 и С3 не равны друг другу и различаются на величину входного напряжения, при больших отношениях высокого выходного напряжения к низкому входному это разница обычно невелика.
Для этого приложения был выбран P-канальный полевой транзистор, так как используемый контроллер привязан к земле, и не должен быть рассчитан на напряжение, большее входного. При использовании P-канального транзистора не требуется подключение к коммутационному узлу. Это было бы необходимо в случае использования N-канального транзистора, и ограничивало бы отрицательное выходное напряжение, поскольку большинство повышающих контроллеров не рассчитано на напряжения более 100 В. Независимо от типа используемого контроллера, часть измеряемого отрицательного выходного напряжения должна быть инвертирована операционным усилителем, чтобы обеспечить положительное напряжение обратной связи для цепи регулирования.
Купить LM3481 на РадиоЛоцман.Цены
