Conversor de tensão do capacitor com multiplicação de corrente

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 Comentários do artigo

Num esforço para reduzir o tamanho do equipamento de rádio que está sendo projetado, os radioamadores prestam atenção importante à miniaturização da fonte de alimentação. Este problema geralmente é resolvido usando um conversor de tensão de pulso. Entretanto, progressos significativos no domínio dos componentes eletrónicos permitem a criação de fontes de alimentação de pequeno porte que funcionam segundo o chamado princípio do “transformador”, mas não contêm transformador. A relativa simplicidade do design e a disponibilidade de componentes os tornam atraentes para rádios amadores.

Em fontes de alimentação de rede de baixa potência, uma versão sem transformador com um capacitor de extinção é frequentemente usada [1]. A desvantagem de tal unidade é que a corrente consumida da rede é aproximadamente igual à corrente de saída e, à medida que a potência de saída aumenta, torna-se muito grande, embora seja principalmente de natureza reativa. Ao mesmo tempo, em blocos transformadores, essas correntes são conectadas por uma relação de transformação. Nesse sentido, em nossa opinião, uma fonte de alimentação com capacitor operando segundo o princípio do “transformador” parece relevante.

Pela primeira vez, tal solução técnica foi proposta por L. M. Braslavsky, do Instituto Eletrotécnico de Novosibirsk, em 1972, quando apresentou um pedido de invenção. Acabou sendo tão original e pouco óbvio para os especialistas que a VNIIGPE realizou o exame do pedido durante seis anos inteiros e somente em 1978 emitiu um certificado de autor. Posteriormente, foram patenteadas outras soluções que permitiram implementar fontes de alimentação capacitivas com múltiplas tensões de saída [2] e sua estabilização. Essas soluções têm muito em comum com dispositivos que usam capacitores chaveados, que são bastante populares em projetos de circuitos estrangeiros [3]. Um desenvolvimento adicional nesta direção em nosso país deve ser considerado um conversor CA-CC com redução de tensão [4].

Um diagrama simplificado de tal dispositivo é mostrado na Fig. 1. O princípio do seu funcionamento é o seguinte. No momento inicial, a cadeia de capacitores C1 - Cn (de mesma capacidade) do dispositivo é descarregada. Com meia onda positiva da tensão da rede, os diodos VD1, VD6-VD8 e VD2 abrem e os diodos VD3-VD5...VDn fecham. Neste caso, todos os capacitores do bloco são conectados em série e carregados pela tensão da rede até seu valor de amplitude. Além disso, a tensão em cada um dos N capacitores, devido à igualdade de sua capacitância, é N vezes menor que a tensão de amplitude da rede, e a capacitância equivalente conectada à rede também é N vezes menor que a capacidade de um capacitor .

Na segunda metade do semiciclo positivo, os diodos VD1, VD6-VD8 e VD2 fecham e a carga elétrica acumulada por eles é armazenada nos capacitores. Durante um semiciclo negativo, os diodos VD1 e VD2 fecham, fazendo com que a unidade capacitiva seja desconectada da rede. Neste momento é possível conectar uma carga de baixa tensão Rн à saída da unidade fechando os contatos da chave eletrônica S1. Agora os diodos VD3-VDn, VD9-VD11 abrem e todos os capacitores carregados são conectados à carga de baixa tensão em paralelo, o que permite obter da unidade um valor médio da corrente de descarga significativamente superior à corrente de carga. Assim, a unidade reduz a tensão enquanto aumenta simultaneamente a corrente de saída. Como na primeira metade do meio ciclo a energia é acumulada nos capacitores e na segunda metade ela é liberada, a operação da unidade capacitiva é claramente de natureza push-pull. Para suavizar as ondulações e aumentar o valor médio da corrente, a capacitância do capacitor do filtro Cf deve ser grande o suficiente ou deve ser utilizada outra unidade capacitiva semelhante, operando na mesma carga, mas em antifase com a primeira.

No dispositivo em questão, os contatos da chave S1 são fechados na frequência da rede de alimentação, o que reduz significativamente as perdas de comutação sobre eles em comparação com fontes de alimentação chaveadas e, além disso, não impõe requisitos de desempenho aos diodos. No entanto, os requisitos para tensão reversa permanecem. Assim, por exemplo, os diodos VD1, VD2, VD3 - VDn e VD9 - VD11 devem ter uma tensão reversa superior à tensão de amplitude da rede e uma corrente média 2N vezes menor que a corrente de saída. Todos os outros diodos podem ter uma tensão reversa N vezes menor que a amplitude da tensão da rede.

As desvantagens do dispositivo são a falta de isolamento galvânico da rede e a alta tensão de operação do transistor, que atua como uma chave eletrônica S1. Mas a possibilidade de usar capacitores de óxido de baixa tensão de pequeno porte e transistores modernos de alta tensão garante que as características de potência das fontes de alimentação de capacitores sejam comparáveis ​​às das unidades de comutação e torna seu uso promissor para uma variedade de aplicações.

Com base nessas ideias, foi projetado um carregador totalmente sem transformador com potência de 150 W e cuja massa não ultrapassa 1 kg. Ele permite implementar o “treinamento” de baterias - um modo no qual a bateria é carregada durante um meio ciclo da tensão da rede e depois descarregada com uma corrente mais baixa para o resistor de lastro.

O conversor de tensão capacitivo descrito é projetado para carregar baterias de automóveis com capacidade de até 70 Ah, portanto a corrente média máxima de saída do dispositivo deve ser de 7 A. Este valor é consistente com a limitação do componente variável no nível de 20 ...30% da tensão nominal para os capacitores de óxido utilizados.

O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na Fig. 2. O diodo retificador VD38, o capacitor C13 e os diodos zener VD39, VD40 formam a tensão de alimentação da unidade de controle, que sincroniza o funcionamento dos transistores chaveadores VT2 e VT3 com a polaridade da tensão da rede e estabiliza a corrente de saída.

(clique para ampliar)

O dispositivo funciona da seguinte maneira. Com meia onda positiva da tensão da rede, o bloco de capacitores C1 - C12 e o capacitor de armazenamento de alimentação C13 são carregados. Quando a meia onda é negativa, o LED do optoacoplador U1 acende e seu fototransistor, abrindo, desvia a junção emissor do transistor VT1. O transistor VT1 fecha e, através do resistor R5, conecta a entrada não inversora do amplificador operacional DA1 à saída do bloco capacitor. O próprio amplificador operacional comuta e abre os transistores VT3, VT2 e o LED do optoacoplador U2.

O amplificador operacional DA1 opera no modo comparador, portanto seu sinal de saída pode assumir apenas dois valores - próximo à tensão de alimentação e próximo de zero. Se a tensão na entrada inversora for maior do que na entrada não inversora, a tensão de saída estará próxima de zero e o transistor VT3 estará no estado desligado. Caso contrário, a tensão na saída do amplificador operacional está próxima da tensão de alimentação, o transistor VT3 abre e através do resistor R10 - o transistor VT2 e o optoacoplador U2.

O sinal de entrada para estabilizar a corrente de saída é a tensão na unidade capacitiva. Está relacionado à carga elétrica pelas relações conhecidas: U=CQ e dU/dt=CdQ/dt=CI. Assim, a variação da tensão no bloco capacitivo (sua diminuição) é diretamente proporcional à carga dada à carga, portanto, ao estabilizar a carga dada pelo bloco capacitivo durante um único ciclo de descarga, o dispositivo estabiliza a corrente de saída. Seu valor é regulado pelo resistor R7. Após fechar o transistor VT1, a tensão do bloco capacitor é aplicada à entrada não inversora do amplificador operacional DA1 e comparada com a tensão padrão fornecida à entrada inversora do divisor R6-R8. Quando a tensão no bloco do capacitor se torna menor que a do exemplo, o amplificador operacional DA1 muda para o estado zero e fecha o transistor VT3, e através dele (e a carga do dispositivo) - o fotodinistor do optoacoplador U2.

Se por algum motivo a tensão na unidade capacitiva não diminuiu para o nível exemplar (ou seja, a carga determinada pela posição do controle deslizante do resistor R7 não foi transferida para a carga) e o tempo alocado para descarga expirou, o a unidade funcionará para evitar que a tensão da rede atinja a saída. O dispositivo está organizado assim. A tensão da meia onda negativa da rede diminui até que o LED do optoacoplador U1 se apague e, conseqüentemente, seu fototransistor feche. Isso leva à abertura do transistor VT1, desviando a entrada não inversora e comutando o comparador DA1 e, como resultado, fechando os transistores VT3, VT2 antes mesmo do aparecimento de uma meia onda positiva da tensão da rede. Assim, ocorre uma sincronização forçada da unidade de estabilização de corrente com a polaridade da tensão da rede.

O optoacoplador U2 é necessário apenas como recurso de segurança e pode não estar presente em fontes de alimentação integradas.

Carregar a bateria leva um tempo relativamente longo e requer algum controle. Portanto, o dispositivo oferece a capacidade de desligar automaticamente a bateria que está sendo carregada quando a tensão nela é de 14,2...14,4 V. A função do elemento limite para desligar uma bateria totalmente carregada é executada pelo relé eletromagnético K1 (RES10 ), que opera a uma tensão de cerca de 10,5 V. O relé é conectado aos terminais de saída X2 e X3 através do resistor de sintonia do fio R11. Este resistor, juntamente com o capacitor C14, forma um filtro que suprime o componente alternado da tensão pulsante de carga, mas passa o componente direto da tensão da bateria que aumenta lentamente. Portanto, quando a tensão limite é atingida, o relé K1 é acionado e, por meio dos contatos de abertura K1.1, desliga a alimentação da unidade capacitiva e do sistema de controle. O próprio enrolamento do relé permanece sob a tensão da bateria que está sendo carregada e, devido à presença de histerese, desliga quando a tensão cai para 11,8 V. Após o que a bateria é recarregada automaticamente.

A ativação/desativação do fim automático do modo de carregamento é realizada através do interruptor SA2. A utilização do relé da série RES10 se deve ao seu baixo consumo de corrente e, consequentemente, à baixa corrente de descarga da bateria no modo de parada de carga. Os contatos de baixa potência do relé utilizado também refletem as características do dispositivo descrito associadas à natureza capacitiva da carga. Portanto, o circuito de alimentação da unidade capacitiva quebra sem gerar faíscas.

A utilização de dois fusíveis de rede (FU1, FU2) e de um interruptor SA1 de duas seções está associada a maiores requisitos de segurança elétrica devido à falta de isolamento galvânico do dispositivo da rede elétrica.

A aparência e algumas características de projeto de um carregador sem transformador são ilustradas na Fig. 3. O corpo do dispositivo é feito de duas placas de alumínio em forma de U conectadas com parafusos. Em sua parede frontal há um indicador de alimentação (HL1), um amperímetro PA1 para monitoramento da corrente de carga e tomadas de saída X2, X3. As chaves SA1, SA2 (chaves seletoras), resistores de corte R7, R11 e fusíveis de rede estão localizados na parede traseira do gabinete. A colocação de resistores de corte ali se deve à presença de um sistema de estabilização da corrente de carga, portanto, ao operar em garagem, basta definir o valor da corrente de carga e o limite de fim de carga uma vez antes de iniciar a operação.

O optoacoplador U2 e o potente transistor VT3 estão instalados na parte superior da caixa, que possui orifícios de ventilação. A área de resfriamento de seus dissipadores de calor é de aproximadamente 20 cm 2 . Os dissipadores de calor são fixados ao corpo por meio de parafusos com buchas isolantes e arruelas plásticas.

A unidade diodo-capacitor é montada em uma placa de circuito impresso feita de folha de fibra de vidro unilateral, que é montada em racks dentro da caixa. Todas as partes do sistema de controle do carregador são montadas na segunda placa, localizada sob a unidade capacitiva.

No bloco de capacitores é possível utilizar quaisquer capacitores de óxido, mas preferencialmente de um tipo. Se forem utilizados capacitores importados, as dimensões desta unidade podem ser significativamente reduzidas. Os diodos do bloco também podem ser quaisquer, projetados para a mesma corrente e tensão reversa - até os diodos D226B e D7Zh servirão, mas as dimensões do bloco e seu peso aumentarão significativamente.

Substituiremos o optoacoplador TO325-12,5-4 por um TO125-10 ou TO125-12,5 de pelo menos classe 4. Em vez do KP706B (VT3), é possível usar transistores de efeito de campo nacionais semelhantes ou IGBTs importados para a mesma corrente e tensão, preferencialmente com resistência mínima do canal.

Ao escolher um relé eletromagnético (K1), é necessário levar em consideração que a tensão nominal na placa de identificação é aproximadamente 1,5...1,7 vezes maior que a tensão de operação e que a tensão de operação pode ser ligeiramente diferente mesmo para relés do mesmo lote. . É possível utilizar relés RES9, RES22, RES32 e outros com consumo de corrente suficientemente baixo para uma tensão de operação na faixa de 8...12 V. Neste caso pode ser necessário selecionar um resistor R11 e um capacitor C14 para suprimir efetivamente o componente variável e evitar "saltos" dos contatos do relé e alarmes falsos.

Ajuste o dispositivo apenas se houver fusíveis de rede. Antes de ligar pela primeira vez, certifique-se de verificar a correta instalação e conexões, pois erros podem levar à falha da maioria das peças e até explosão de capacitores. Como apólice de seguro, a unidade condensadora pode ser coberta com uma caixa de papelão grosso ou compensado.

Um dispositivo montado corretamente começa a funcionar imediatamente. Basicamente, você só precisará de uma seleção de resistores R6 e R8 para ajustar a faixa de ajuste da corrente de carga. Para isso, conecte uma bateria descarregada à saída da unidade e, utilizando uma seleção de resistores R6 e R8, defina a faixa de regulação da corrente de carga utilizando o amperímetro PA1 com resistor R7. Se na posição inicial do controle deslizante do resistor R7 a corrente for diferente de zero, será necessário reduzir a resistência do resistor R8. Se a corrente de carga se tornar zero na posição extrema do controle deslizante R7, a resistência deste resistor deverá ser aumentada. Em seguida, coloque o controle deslizante do resistor R7 em sua posição final. Se a corrente de carga agora for menor que o máximo, a resistência do resistor R6 deverá ser reduzida e, se ultrapassá-la, deverá ser aumentada.

Depois disso, colocando a chave SA2 na posição “Modo Manual”, deixe a bateria totalmente carregada, monitorando a tensão nela com um voltímetro DC. Em seguida, desconecte o dispositivo da rede, mova a chave seletora SA2 para o modo “Auto” e o controle deslizante do resistor R11 para a posição de resistência máxima. Reconecte o dispositivo à rede e diminuindo a resistência do resistor R11, obtenha um funcionamento claro do relé K1 - o dispositivo está pronto para operação.

Ao configurar e operar o carregador, lembre-se de que não há isolamento galvânico da rede elétrica. Portanto, você pode conectá-lo e desconectá-lo da bateria apenas quando o cabo de alimentação estiver desconectado da rede elétrica.

O carregador descrito é um dos exemplos específicos de uso de um conversor de tensão de capacitor. Nos demais casos, deve-se ter em mente que o valor efetivo de sua tensão de saída é de cerca de 12 V, e a amplitude é próxima de 24 V. Portanto, para alimentar dispositivos eletrônicos, é mais aconselhável utilizar dois blocos capacitores, um dos quais opera com tensão de rede positiva e o segundo com tensão de rede de meia onda negativa. As saídas de ambos os blocos devem ser combinadas e operar com uma carga comum. Os próprios blocos são quase idênticos. Eles diferem apenas em sua conexão com fios de rede que transportam corrente: onde o primeiro bloco é conectado por cátodos de diodo, o segundo é conectado por ânodos. Isso permite obter maior potência de saída com redução significativa na capacitância dos capacitores de filtro.

A tensão de saída do dispositivo descrito é determinada pelo número de capacitores na bateria e em tensões mais baixas pode ser ajustada em incrementos bastante pequenos.

A saída do conversor descrito pode ser formalmente considerada não conectada à rede, pois durante um meio ciclo da rede o transistor VT3 e o optoacoplador U2 estão fechados, e durante o outro os diodos VD3 e VD4 estão fechados. No entanto, você não pode presumir que tocar nos terminais de saída seja seguro. Qualquer um dos elementos mencionados acima pode falhar, isso não será perceptível do ponto de vista do funcionamento do conversor, mas um dos fios de saída estará conectado à rede. Portanto, não é necessário instalar, por exemplo, o diodo VD4 e o optoacoplador U2 - o dispositivo funcionará normalmente sem eles.

Sobre estabilizar a corrente de saída. A corrente de saída é desligada no momento em que a tensão no bloco capacitor diminui para o valor especificado pelo resistor R7, e a tensão inicial no bloco é proporcional à tensão da rede. Conforme mostraram os autores, a corrente de saída é proporcional à diferença entre essas tensões, portanto sua estabilização ocorre apenas quando a carga muda. As flutuações na tensão da linha afetam a corrente de saída, sendo a mudança relativa na corrente de saída aproximadamente duas vezes a mudança relativa na tensão da linha.

O dispositivo relé proposto pelos autores para desligar o conversor no momento do carregamento da bateria não pode ter uma histerese de tensão tão estreita, conforme indicado no artigo, pois para o relé RES-10 a corrente de liberação é aproximadamente sete vezes menor que a corrente de operação. Para obter a histerese necessária, é necessário utilizar um relé com grande número de contatos. Quando acionado deve introduzir um resistor variável adicional em série com R11, que ajusta a tensão de liberação do relé.

Literatura

1. Biryukov S. Cálculo de uma fonte de alimentação de rede com um capacitor de extinção. - Rádio, 1997, n.º 5, p. 48-50.
2. Braslavsky L. e outros Conversor de tensão para CC com duas tensões de saída de níveis diferentes. Descrição da invenção ao autor. data Nº 797022. - Boletim “Descobertas, invenções,…”, 1981, nº 2.
3. Horowitz P., Hill W. The Art of Circuit Design, em 3 volumes: T. 1. Trans. do inglês, 4ª ed. retrabalhado e adicional - M.: Mundo, 1993, p. 399-401.
4. Bogdanovich M., Polyakov A. Conversor CA para CC com redução de tensão. Descrição da invenção ao autor. data Nº 1182613. - Boletim “Descobertas, Invenções...”, 1985, nº 36.

Autor: N.Kazakov, A.Petrov, Volgograd

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