Electronic Design
Описанный ниже преобразователь, основанный на кремниевом биполярном транзисторе, способен работать при напряжении всего 250 мВ, что, возможно, может считаться рекордом для преобразователей, в которых не используются германиевые или полевые транзисторы. Как же это возможно? Транзисторы не имеют четкого порогового значения напряжения база-эмиттер, поскольку оно зависит от плотности тока и других факторов. Но 250 мВ, уж точно, намного ниже минимальных допустимых значений. Значит, должна быть какая-то хитрость, и вроде как она есть.
Самое сложное – запустить схему. Стартовав, преобразователь может легко поддерживать нужные напряжения, даже если напряжение питания упадет значительно ниже порога проводимости. Уловка состоит в том, чтобы в первый момент «подтолкнуть» колебания с помощью третьего провода, подключенного перед выключателем питания. Когда ключ закрыт, этот третий провод предварительно заряжает конденсатор C2 через резистор R3 (Рисунок 1).
 |
||
| Рисунок 1. | В схеме этого преобразователя используется третий провод, подключенный перед выключателем питания для первоначального «толчка», запускающего преобразователь при напряжении менее 250 мВ. В схеме применен кремниевый биполярный транзистор, а не германиевый или полевой транзистор с p-n переходом. |
|
Схема шунтирована резистором R4, благодаря которому конденсатор C2 заряжается до напряжения питания. При замыкании переключателя потенциал отрицательной обкладки конденсатора C2 становится равным V+, что означает, что его положительный вывод теперь имеет потенциал, вдвое превышающий напряжение питания, то есть, 500 мВ. Этот потенциал смещает базу транзистора Q1 через трансформатор T1. 500 мВ – напряжение хотя и низкое, но достаточное для возникновения небольшого тока в транзисторе Q1, позволяющего колебаниям нарастать до тех пор, пока, наконец, не будет достигнут режим ограничения.
Второй важной особенностью этой схемы является использование трансформатора тока вместо обычной обратной связи по напряжению, получаемой от вспомогательной обмотки главного дросселя. Это гарантирует мощную и устойчивую генерацию за счет минимизации влияния нестабильности напряжения и увеличения положительной обратной связи при увеличении нагрузки.
Трансформатор тока можно намотать на небольшом насыщающемся тороидальном или бусинковом ферритовом сердечнике двумя витками на первичной стороне и 50 витками на вторичной. Количество витков некритично и может быть подобрано для достижения наилучших результатов при используемых в схеме компонентах.
Коэффициент передачи тока насыщенного транзистора Q1 в этом примере равен 25. Выходное напряжение снимается с основного дросселя L2 через диод Шоттки D2. Изображенная на рисунке схема питает белый светодиод, но, подобрав подходящий стабилитрон, ее можно использовать с другими напряжениями и для других приложений. Для напряжений выше 5 В лучше использовать дополнительную повышающую обмотку на L2, поскольку при фактическом коэффициенте повышения более 30 дроссель L2 должен быть весьма высококачественным.
Элементы C4 и D3 не являются обязательными, но могут повысить КПД схемы. C4 образует контур с дросселем L2, а диод D3 возвращает часть энергии, накопленной в трансформаторе T1, обеспечивая повышение КПД примерно на 5%. Однако эти компоненты могут затруднить запуск схемы.
Собранный макет схемы отдавал в нагрузку 8.85 мА при выходном напряжении 3.02 В и входном токе 269 мА. Частота генерации составляла 8.3 кГц. КПД изменялся от 30% до 50%, в зависимости от выбранных компонентов и вносимых изменений. После запуска колебания могут поддерживаться до напряжения 110 мВ. Однако при напряжении ниже 150 мВ извлечь полезную мощность невозможно.
Если требуется увеличить выходную мощность, очевидным решением является использование выходного напряжения для питания микросхемы контроллера импульсного преобразователя. Более простое решение – использовать импульсы преобразователя непосредственно для управления MOSFET Q2 с низким сопротивлением открытого канала. Схема ограничителя R1, R2, C1 и D1 сдвигает уровень управляющего сигнала, чтобы обеспечить надлежащее управление затвором Q2. При использовании подходящих компонентов возможно десятикратное увеличение мощности.
Для достижения максимального КПД необходимо снижать потери в соединениях и компонентах. Это, в первую очередь, сопротивления обмоток, контактное сопротивление ключа, эквивалентные последовательные сопротивления конденсаторов и напряжение насыщение транзистора Q1. Каждый миллиом влияет на конечный результат.
2SC1983 (Q1) – это ранняя модель супербета транзистора. Более новые типы, например, производимые компанией Diodes, позволят получить более хорошие результаты. Тесты, выполненные с рядом образцов от Diodes (ZTX1047, ZTX869), подтверждают этот факт. Выходная мощность была увеличена с 26.7 мВт до 102 мВт, а КПД от первоначального значения 39.7% вырос до 52%. Это означает, что многим приложениям дополнительный каскад преобразователя не потребуется.
Описанная схема может найти применение в широком спектре приложений сбора энергии, делая практичным использование таких источников, как одиночные солнечные элементы, термоэлектрические генераторы, электроосмотические элементы, топливные элементы и низковольтные электрохимические пары. Можно воткнуть в землю пару разнородных металлических стержней и получить полезную мощность. Схема не обеспечивает стабилизации напряжения, потому что чудесной особенностью устройств сбора энергии является возможность сбросить любую избыточную мощность, например, на стабилитроне.
Версия схемы на Рисунке 2 снимает любые возражения, что на самом деле схема не стартует с 250 мВ, и что третий провод является своего рода «обманом». На рисунке показан двухпроводный вариант схемы. L1 и C2 образуют резонансный контур, и при включении питания в точке соединения L1 и C2 возникают затухающие колебания. Через пол периода полярность напряжения относительно положительной шины меняется на противоположную, и на T1 подается 500 мВ.
 |
||
| Рисунок 2. | Вариант схемы на Рисунке 1, из которой исключен третий провод. Характеристики не так хороши, как у трехпроводной схемы. |
|
Вторая схема является скорее подтверждающим возможность демонстратором, чем практическим предложением. Для правильной работы L1 и C2 должны иметь малые потери – диэлектрик C2 должен быть пленочным, а L1 должен иметь ферритовый сердечник, – что делает размеры каждого из этих компонентов соизмеримыми с размерами всей схемы. Но даже при использовании высококачественных компонентов характеристики схемы в этом случае хуже, чем у версии со «стартером»; для надежного запуска ей требуется 255 мВ по сравнению с 235 мВ для трехпроводной схемы.
