Повышающий преобразователь напряжения c зарядовым насосом Диксона

В статье описаны два простых, но высокоэффективных повышающих преобразователя напряжения с зарядовым насосом Диксона. В первом преобразователе напряжение увеличивается в 16 раз с помощью двух конденсаторов, во втором – в 32 раза с помощью четырех конденсаторов. Причем, это не предел, и коэффициент повышения может быть еще больше.

Предлагаемые преобразователи были востребованы во встроенной системе автоматизированного контроля сопротивления изоляции некоторых цепей бортовой системы управления. Для этого требуется достаточно высокое напряжение при небольшом токе нагрузки. Однако преобразователи могут найти и другие применения.

На Рисунке 1 представлена схема двухтактного повышающего преобразователя напряжения, питающегося от напряжения +(4…5) В. Выходное напряжение может достигать 80 В при работе на нагрузку 100 кОм. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение будет уменьшаться. Если нужно получить конкретное напряжение, то на выход можно поставить ограничивающий стабилитрон.

Рисунок 1.	Схема преобразователя с 2-каскадным умножителем напряжения.

На транзисторах VT1, VT2 и элементах L1, L2, R1 и R2 собран двухтактный генератор-мультивибратор. На диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2 собран двухкаскадный умножитель напряжения, работающий с постоянным током (зарядовый насос Диксона). Диод VD3 выполняет функцию выпрямителя, а конденсатор С3 – роль фильтра.

При подаче напряжения +5 В схема переходит в режим генерации. В процессе переключения транзисторов VT1 и VT2 на индуктивностях L1 и L2 образуются высоковольтные импульсы положительной полярности. Форма импульсов напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT1 показана на Рисунке 2. Их амплитуда может доходить примерно до +(38…39) В.

Рисунок 2.	Высоковольтные импульсы (+38 В) на коллекторах транзисторов VT1 и VT2.

Высоковольтные импульсы, сдвинутые по фазе на 180 градусов, заряжают конденсаторы С1 и С2 параллельно, а разряжают последовательно через диоды VD1 и VD2. За счет этого на конденсаторе С2 образуются импульсы еще более высокого напряжения, которые через диод VD3 заряжают конденсатор С3. Форма импульсов напряжения на конденсаторах С1, С2 и С3 в точке их соединения с диодами относительно общего провода показана на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Импульсы напряжения на конденсаторах С1, С2 и С3 в точке соединения с диодами относительно общего провода.

Если требуется более высокое напряжение, количество каскадов умножения можно увеличить.

Рисунок 4.	Схема преобразователя c 4-каскадным умножителем напряжения.

На Рисунке 4 представлена схема двухтактного повышающего преобразователя, работающего аналогично, но умножитель здесь 4-каскадный. Возможное выходное напряжение до (150 …155) В, при работе на нагрузку 100 кОм. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение будет уменьшаться. Если нужно получить конкретное напряжение, то на выход можно установить ограничивающий стабилитрон. Форма импульсов напряжения на конденсаторах С1, С2, С3, С4 и С5 в точке соединения с диодами относительно общего провода показана на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Импульсы напряжения на конденсаторах С1, С2, С3, С4 и С5 в точке соединения с диодами относительно общего провода.

В схемах использованы n-p-n транзисторы КТ3117А. Можно использовать любые другие транзисторы, в том числе и германиевые.

Дроссели L1 и L2 могут быть любые, с индуктивностью от 60 мкГн до 125 мкГн. Подходит малогабаритный высокочастотный дроссель ДМ-0,2-60 - 0,2 А, 60 мкГн, 4.10 Ом. Но лучше поставить дроссель на тороидальном сердечнике, так как он будет создавать меньше помех.

Емкость конденсаторов С3 (Рисунок 1) и С5 (Рисунок 4) может быть любой в диапазоне от 0.1 мкФ до 4.7 мкФ. Все зависит от того, какое качество фильтрации питания вам требуется. В моем случае достаточно емкости 0.1…0.47 мкФ. Эти конденсаторы должны быть обязательно керамическими, так как частота импульсов на выходе генератора составляет 100…130 кГц. Рабочее напряжение конденсаторов должно превышать выходное напряжение преобразователя хотя бы в полтора раза.

Остальные конденсаторы должны быть керамическими с рабочим напряжением не менее 50 В. Емкости этих конденсаторов относительно указанных на схеме номиналов можно менять в достаточно широких пределах, например, в разы.

Номинальная мощность рассеяния резисторов R1 и R2 (Рисунки 1 и 4) должна быть не менее 0.25 Вт. Тип резисторов любой. От величины сопротивлений этих резисторов сильно зависит КПД преобразователя. Для повышения КПД их номинал следует увеличивать до тех пор, пока сохраняется устойчивая работа в заданном диапазоне входного напряжения. Транзисторы желательно выбрать с высоким усилением, чтобы иметь возможность увеличивать номиналы резисторов R1 и R2.

Диоды в умножителях должны выдерживать напряжение высоковольтных импульсов, образующихся на коллекторах транзисторов VT1 и VT2 (см. Рисунок 2; в схеме Рисунок 4 импульсы точно такие же). Для этого достаточно в обеих схемах выбрать все диоды с допустимым обратным напряжением не менее 50 В (т. е. высоковольтные диоды не требуются, и можно использовать подходящую матрицу диодов).

То же самое относится и к конденсаторам умножителя – они должны иметь рабочее напряжение не менее 50 В, но высоковольтные конденсаторы не нужны. (Наборы транзисторов и конденсаторов в одном корпусе тоже существуют).

Для проверки работоспособности преобразователей к их выходу надо подключить резистор номиналом 100 кОм и мощностью не менее 0.5 Вт для имитации тока нагрузки.

Заключение

Преобразователь способен работать и при меньшем питающем напряжении. В представленной схеме используются кремниевые транзисторы, поэтому для запуска преобразователя требуется напряжение больше 1  В. Если использовать германиевые транзисторы, то схема будет запускаться при напряжении, превышающем 0.3 В. При пониженных входных напряжениях следует уменьшить номиналы резисторов R1 и R2.

Очевидно, что для получения нужного высокого напряжения количество каскадов умножения можно увеличивать до какого-то разумного предела.

На основе такого преобразователя можно сделать мегаомметр на батарейках.

Литература

1. Евгений Дабуров // Конденсаторные преобразователи напряжения. – Электронные компоненты 2020 – № 3.
2. Clayton Grantham. Германиевый преобразователь запускается при напряжении 260 мВ.
3. Петраков Олег. Двухтактный повышающий преобразователь напряжения.