Емкостные трансформаторы постоянного и переменного токов

Описаны устройство и принцип работы обратимых емкостных трансформаторов постоянного и переменного токов с гальванической развязкой. Преобразование уровней напряжения происходит за счет периодического последовательного или параллельного включения изначально одинаково заряженных конденсаторов. Приведены примеры использования электронных маломощных и механических высоковольтных обратимых преобразователей напряжения. Емкостные трансформаторы также могут быть использованы для усиления или преобразования сигналов низких и ультранизких частот.

Первые повышающие преобразователи напряжения на основе переключаемых конденсаторов появились на свет свыше 100 лет назад. Это умножители напряжения Грайначера (1913, 1919 гг.), Шенкеля – Вилларда (1919 г.), Кокрофта – Уолтона (1932 г.), Диксона (1976 г.) и ряд других [1].

Емкостные умножители напряжения использовались при детектировании радиосигналов, питания светодиодов от субвольтовых источников напряжения, питания высоковольтных устройств: кинескопов, фотоэлектронных умножителей, ускорителей заряженных частиц. Все эти устройства не имели гальванической развязки от источников питания [2, 3].

С развитием полупроводниковой техники стали доступны микросхемы, имеющие коммутирующие каналы, гальванически развязанные от источников питания и управляющих сигналов [4–6]. К таковым, например, относятся ныне существенно устаревшие КМОП-микросхемы CD4051 (K561КП2), CD4052 (К561КП1), CD4053 (К561КП5), CD4066 (К561КТ3) и ряд других. Такие микросхемы работали до напряжений источника питания порядка 15 В, однако, за счёт высокого переходного сопротивления коммутирующих ключей (100…150 Ом) не позволяли пропускать через них ток более 10 мА [7–9].

Следующее поколение микросхем, предназначенных для коммутации токов, например, ICL7660S (КР1168ЕП1), LT1026, LT1054, LTC1144, LTC1911, МАХ619, МАХ662А, МАХ828, МАХ829, МАХ868 и др., имело сопротивление ключей на порядок ниже.

Современные микросхемы, например, ADG820, ADG839, ADG841, ADG842, ADG849, ADG884, MAX4684, MAX4685, MAX4714, MAX4754 и др., имеют сопротивление ключей менее 1 Ом.

С обзорами по преобразователям напряжения с использованием коммутируемых конденсаторов можно ознакомиться в работах [9–13].

Принцип работы емкостных преобразователей с гальванической развязкой (Рисунок 1а – умножители, и Рисунок 1б – делители напряжения) следующий. Последовательное или парал

лельное включение изначально одинаково заряженных конденсаторов позволяет умножить напряжение на цепочке конденсаторов, либо, напротив, понизить его пропорционально количеству конденсаторов. Как и в случае с классическим трансформатором, во сколько раз удается повысить или понизить напряжение, во сколько же раз понижается или повышается максимальный ток на выходе устройства.

Рисунок 1.	Емкостные целочисленные: а) умножители и б) делители напряжения.

В Таблице 1 приведена теоретическая зависимость выходного напряжения и тока емкостных умножителей и делителей напряжения от количества коммутируемых конденсаторов. Из таблицы следует, что во сколько раз возрастает напряжение на выходе преобразователя, во сколько же раз снижается максимальный ток нагрузки устройства.

Таблица 1.	Зависимость выходного напряжения и тока емкостных умножителей и делителей напряжения от количества коммутируемых конденсаторов*)
Количество конденсаторов Умножитель напряжения Делитель напряжения UВЫХ IВЫХ UВЫХ IВЫХ 1 U I U I 2 2U 0.5I 0.5U 2I 3 3U 0.33I 0.33U 3I 4 4U 0.25I 0.25U 4I … … … … … n nU I/n U/n nI
*) Без нагрузки и учета потерь.

Поскольку процесс переключения конденсаторов происходит с малыми потерями энергии, КПД подобных преобразователей весьма близко приближается к 100%. Таким образом, преобразователи напряжения на основе коммутируемых конденсаторов являются своеобразными аналогами традиционных трансформаторов, однако в отличие от последних позволяют обратимо трансформировать как постоянные, так и переменные токи и напряжения.

На Рисунках 2а и 2б показаны практические электрические схемы емкостных умножителей и делителей напряжения с использованием микросхемы DA1 MAX4754A.

Рисунок 2.	Емкостные целочисленные: а) умножители и б) делители напряжения на микросхеме MAX4754.

Микросхема MAX4754 по основному назначению предназначена для коммутации громкоговорителей в бытовой аппаратуре. Она содержит аналоговые переключатели с низким сопротивлением ключей (0.5 Ом) и работает от одного источника питания напряжением от +1.8 до +5.5 В при потребляемом токе единицы мкА. MAX4754 является коммутатором типа DPDT (Double Pole, Double Throw – два полюса, два направления), который имеет два логических управляющих входа (выводы 2 и 10), каждый из которых управляет двумя переключателями SPDT (Single Pole, Double Throw – один полюс, два направления). Вывод 17 микросхемы MAX4754 представляет собой металлизированную подложку микросхемы.

Умножитель напряжения, Рисунок 2а, при подаче для заряда «летающих» конденсаторов C1 и C2 входного напряжения в пределах от 0 до +3 В позволяет иметь на суммирующем выходе удвоенное напряжение в пределах от 0 до 6 В, либо на раздельных выходах по 0…3 В.

Управляющий сигнал подается на микросхему от внешнего генератора прямоугольных импульсов с частотой выше 20 кГц. Явным недостатком такого умножителя напряжения является то, что на выходе устройства проблематично получить напряжение выше 6 В. Обусловлено это недокументированной особенностью построения микросхемы, имеющей элементы диодной защиты каналов коммутации, что не позволяет иметь на выводах коммутатора напряжение свыше 6 В.

Рисунок 3.	Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для: а) умножителя и б) делителя напряжения на микросхеме MAX4754.

Емкостной делитель напряжения, Рисунок 2б, работает по описанному ранее принципу. Для зарядки конденсаторов C1 и C2 можно использовать регулируемое напряжение в пределах от 0 до +5.5 В, выходное напряжение делится пополам. Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки в пределах от 0 до 100 мА для умножителя и делителя напряжения на Рисунках 2a и 2б показана на Рисунках 3а и 3б, соответственно. Для умножителя выходное напряжение при токе нагрузки 100 мА падает с 6 В холостого хода до примерно 5 В или на 16.7%. Для делителя при напряжении холостого хода 2.5 В и токе нагрузки 100 мА выходное напряжение просаживается до 2.36 В или на 5.6%.

Рисунок 4.	Емкостные целочисленные: а) делители и б) умножители напряжения на микросхеме MAX4754.

Как уже отмечалось ранее, емкостные целочисленные умножители и делители напряжения являются обратимыми, Рисунок 4. Так, например, при «обратной» подаче регулируемого напряжения в пределах от 0 до +6 В, Рисунок 4а, с выхода устройства (делителя напряжения) будет сниматься синхронно изменяющееся напряжение от 0 до +3 В. Для устройства на Рисунке 4б (умножитель напряжения) на выходе будет присутствовать удвоенное напряжение от 0 до +6 В. Таким образом, емкостные преобразователи напряжения по праву можно именовать трансформаторами постоянного тока.

Однако емкостные преобразователи напряжения могут трансформировать не только постоянный ток. При использовании в качестве источников входных напряжений (U_КОММ.), Рисунок 2, или GB1, Рисунок 4, сигналов низких и ультранизких частот синусоидальной, пилообразной, прямоугольной или любой иной формы, изменяющихся от нуля до обозначенных на Рисунках 2 и 4 пределов, на выходах преобразователей будут наблюдаться умноженные или поделенные по амплитуде в n раз сигналы с минимальными искажениями (коэффициент нелинейных искажений синусоидальных сигналов частотой 1 кГц порядка 1…2%), Рисунок 5.

Рисунок 5.	Усилитель низких и ультранизких частот на основе емкостного трансформатора.

Условием получения минимальных искажений является наличие на выходах преобразователей фильтров, отсекающих частоты управляющих сигналов, которые должны минимум на порядок быть выше частоты преобразуемых сигналов.

Общими и пока мало устранимыми недостатками всех преобразователей напряжения с гальванической развязкой, выполненных на микросхемах, является весьма низкий уровень напряжений питания и, соответственно, преобразования, малые токи нагрузки, редкая возможность преобразования сигналов разной полярности. Остается надеяться, что дальнейшее развитие аналоговых коммутаторов позволит существенно улучшить их свойства.

Разумеется, для коммутации более высоких мощностей могут быть использованы и такие переключающие устройства, как реле, но работать они смогут лишь на малых частотах переключения и имеют низкую надежность и долговечность.

Вопросы техники получения и преобразования высоких напряжений рассмотрены в работах [14–17]. Многие их таких конструкций предполагают использование коммутируемых конденсаторов.

Для создания емкостных трансформаторов высокого напряжение на основе описанных выше принципов представляется перспективным использование обратимого умножителя/делителя напряжения на механически коммутируемых конденсаторах, Рисунок 6.

Коммутатор, Рисунок 6, содержит диэлектрический вал, приводимый во вращение электродвигателем. На валу расположены кольцевые и полукольцевые контактные группы, к которым в соответствии с Рисунком 1а или 1б периодически подключаются коммутируемые конденсаторы, а также подаются и снимаются входное и выходное напряжения.

Рисунок 6.	Конструкция высоковольтного обратимого умножителя/делителя напряжения на механически коммутируемых конденсаторах.

Устройство является обратимым, т. е. его можно использовать как для повышения, так и для понижения напряжения постоянного тока в n раз по количеству задействованных конденсаторов. Для обеспечения защиты от пробоя контактные группы могут быть разнесены в пространстве и даже установлены на удаленных валах, синхронно вращаемых с основным валом.

Стоит отметить, что рабочее напряжение конденсаторов преобразователя в n раз ниже максимально возможного напряжения, подаваемого или снимаемого с коммутатора. Напомним, что ранее известные умножители напряжения на диодно-емкостных цепочках или на конденсаторах с электрическими разрядниками зачастую должны были иметь конденсаторы, рассчитанные на значительное напряжение.

Литература

1. Шустов М.А. История электричества. Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2019. 567 с.
2. Шустов М.А. Основы силовой электроники. СПб.: Наука и Техника, 2017. 336 с.; 2019. 336 с. (Второе изд.).
3. Шустов М.А. Силовая электроника в электропитании и освещении. СПб.: Наука и Техника, 2024. 560 с.
4. Starzyk J.A., Jan Y.-W., Qiu F. A DC-DC charge pump design based on voltage doublers. IEEE Transactions on Circuits and Systems. 2001. Part I. Vol. 48. № 3. P. 350–359.
5. Козенков Д. DC/DC-конверторы MAXIM. Компоненты и технологии. 2003. № 4. С. 64–67.
6. Gregoire B.R. A Compact Switched-Capacitor Regulated Charge Pump Power Supply. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2006. Vol. 41. № 8. P. 1944–1953.
7. Шустов М.А. Мультиплексорный преобразователь напряжения с гальванически развязанными выходами. Радiоаматор. 2002. № 11. С. 21.
8. Шустов М.А. Мультиплексорный преобразователь напряжения. Радиомир. 2003. № 4. С. 17.
9. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. М.: Altex-A, 2002. Кн. 3. 184 с.; М.: Додэка-XXI–Altex, 2007. 192 с. (II изд.).
10. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. М.: Солон-Пресс, 2016. 448 с.
11. Дабуров Е. Конденсаторные преобразователи напряжения. Электронные компоненты. 2020. № 3. С. 40–43.
12. Janabi A., Wang B. Switched-capacitor voltage boost converter for electric and hybrid electric vehicle drives. IEEE Transactions on Power Electronics. 2020. Vol. 35. № 6. Р. 5615–5624.
13. Wai-Shan Ng V., Sanders S.R. Switched Capacitor DC-DC Converter: Superior where the Buck Converter has Dominated.l
14. Шустов М.А., Протасевич Е.Т. Электроразрядная фотография. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 1999. 244 с.
15. Шустов М.А., Протасевич Е.Т. Теория и практика газоразрядной фотографии. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2001. 252 с.
16. Шустов М.А. Схемотехника генераторов высокого напряжения. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003. № 2. С. 27–33.
17. Шустов М.А. Генераторы высокого напряжения и их применение. Радiоаматор-Электрик. 2003. № 3. С. 2–6.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim MAX4754