Довгий час вважалася цілком очевидним мати котушки індуктивності і трансформатори в джерелах живлення. Ці компоненти на магнітних сердечниках грають істотну роль накопичувача енергії, завдяки чому можна перетворювати енергію, фільтрувати, обмежувати струм і це тільки декілька функцій, виконуваних ними. У той же самий час, при практичній реалізації компонент на магнітних сердечниках часто доводиться стикатися з такими негативними явищами як насичення, втрати в сердечнику і проводах, нелінійність, велику вагу, габарити і вартість, ненадійність. Відхилення від ідеальних характеристик може пошкодити як джерела, так і навантаженні. Крім того, з’являються проблеми з електромагнітними перешкодами, небажаними резонансами, пробоєм ізоляції і т.д. Оскільки конденсатори також є накопичувачами енергії, то природно подумати про можливість замінити ними котушки індуктивності.

Така заміна дійсно можлива. Виявилося, що хоча пряма підстановка не можлива, можна придумати спеціальні схеми, щоб використовувати здатність конденсаторів накопичувати енергію. Якщо реалізувати цю заміну, то можна розраховувати на збереження більшості параметрів, притаманних схемам, які використовують котушки індуктивності і трансформатори. Наприклад, такі безіндуктівние схеми дозволяють змінювати полярність напруги, підвищувати і знижувати його, здійснювати гальванічну розв’язку, множення напруги і стабілізацію. Всі ці операції виконуються за допомогою методів комутації, коли накопичений заряд передається від одного конденсатора до іншого. Процес можна визначити як кероване використання схем перекачування заряду.

Хоча існує багато способів переносу заряду між конденсаторами, закон природи перешкоджає повному використанню початкового рівня енергії! Це можна продемонструвати на одному прикладі. Звернемося до рис. 20.10. Припустимо, що конденсатор ємністю 10 мкФ заряджений до напруги 20 В. Енергія, запасена в ньому, дорівнює 1/2 CV2 або 1/2 (10 х 10 “6) (20)2 =

Тепер, припустимо, що цей заряджений конденсатор підключається паралельно до розрядженому конденсатору також ємністю 10 мкФ. У новій ситуації отримуємо конденсатор ємністю 20 мкФ, заряджений до напруги 10 В. Здоровий глузд дозволяє припустити, що повна енергія в системі залишилася незмінною або майже незмінною, якщо використовуються високоякісні конденсатори – просто змінився спосіб зберігання первісної енергії. Однак при підстановці нових чисел в наше співвідношення, знаходимо що 1/2 CF = 1/2 (20 х 10 “6)(10)2 =

Рис. 20.10. Демонстрація втрат енергії при перемиканні конденсаторів. Незважаючи на високу якість конденсаторів, 50% енергії, спочатку накопиченої в С1, буде втрачено, коли енергія перерозподіляється при паралельному включенні С \ і С2. Цей тип втрат можна значно скоротити вибором ємності конденсаторів і відповідних інтервалів часу заряду і розряду. (А) Конденсатор С1 заряджений до 20 В і тому зберігає енергію 2000 мікроджоулів. (В) Заряд, що зберігався в G, перерозподілений між ним і С2. Розрахунок показує, що повна енергія, яка перебуває у двох паралельно включених конденсаторах С \ і С2 дорівнює тільки 1000 мікроджоулів.

Таким чином, тільки половина початкової енергії запасена в паралельно включених конденсаторах! Де загубилися 1000 мікроджоулів?

Звичайно, дефіцит енергії Ви повинні приписати «втрат». Цікаво, що у використаному нами співвідношенні ніяк не відображено, через який опір заряджаються і розряджаються конденсатори, мілліоми або мегаомах. Дійсно, виявляється, що присутність послідовно включеного опору впливає тільки на час, необхідний для заряду і розряду конденсаторів. У будь-якому випадку, при рівності ємностей конденсаторів, 50% початкової енергії буде втрачено, коли конденсатори включаються паралельно. Природа, що відображено у використаному нами вираженні, здається знає, що половина початкової енергії буде втрачена у вигляді теплової енергії, що дорівнює PR, звуку, світла і радіочастотного випромінювання. Крім того, можна врахувати витоку і гістерезис в діелектрику. Вважається, що все це не просто зрозуміти, можливо, простіше прийняти це явище, спираючись на арифметику і аналізуючи, що відбувається, коли числа діляться на два, подвоюються і зводяться в квадрат. Суттєвим моментом є те, що заряд і розряд конденсаторів супроводжується втратами енергії. Даний приклад був обраний для ілюстрації вкрай важкій ситуації. Практично, втрати енергії можна значно знизити відповідним вибором циклів заряду і розряду, і співвідношення між ємностями використовуваних конденсаторів.

На відміну від звичайних перемикаючих схем, які використовують котушки індуктивності, к.к.д. джерела з перемиканням конденсатора можна оптимізувати при відносно низькій частоті перемикання. Тим не менш дуже низька частота перемикання призводить до зниження к.к.д., тому що конденсатори не отримують достатньої кількості заряду при повторному поповненні, відповідного витраті енергії (енергія х частота = Потужність). Однак, розсіює потужність, пов’язана з власними втратами комутатора, збільшується з підвищенням частоти перемикання. Тому, виявляється, існує певний компроміс між низькою і високою частотою перемикання. Все це справедливо навіть за ідеальних конденсаторах і перемикачах. При практичній реалізації джерел з перемиканням конденсаторів, частоту перемикання можна вибрати в діапазоні від 10 до 30 кГц.

Тепер, підсумовуючи все сказане, знаходимо: зовсім необов’язково втрачати велику частину енергії, запасеної в конденсаторі, при скиданні його заряду в інший конденсатор. У нашому прикладі це мало місце тому, що перенесення заряду відбувався одноразово. Якщо, наповнення заряду і його передача відбуваються періодично, то втрати енергії можуть бути зроблені дуже малими. У той же час, ця операція не повинна виконуватися занадто часто, інакше малі втрати перемикання багаторазово збільшуються, досягаючи значного рівня. Таким чином, ефективне функціонування досягається у випадку, коли відбувається досить регулярне поповнення заряду. Занадто висока частота перемикання призводить лише до зменшення к.к.д. цього процесу. Враховуючи розмірність, можна отримати величину потужності, яка може бути передана в навантаження, тому що: потужність = (енергія) х (швидкість передачі енергії). Початкова схема з періодичною комутацією наведена на рис. 20.11. Коли ключі £ 1 і S3 закриті, то S2 і S4 відкриті і навпаки. Інверсія полярності закладена в самому процесі. Крім того, якщо скористатися зв’язком, позначеної пунктиром, то легко отримати подвоєння напруги.

Рис. 20.11. Початкова схема пристрою комутації, використовуваного в багатьох інвертора і перетворювачах з перекачуванням заряду. Ця схема забезпечує зміна полярності напруги і може бути використана як подвоювач напруги (клема у пунктирною лінії).

Приклади застосування схем з перемиканням конденсатора показані на рис. 20.12 і 20.13. Щоб уникнути плутанини через відмінності в термінології, яка використовується різними компаніями, майте на увазі, що під перетворювачем з перемиканням конденсатора і перетворювачем з перекачуванням заряду маються на увазі одні й ті ж схеми. Так, термін інвертор традиційно має відношення до схем, які перетворять постійна напруга в змінну. Вони можуть бути або автоколивальних, або із зовнішнім збудженням. На жаль схеми, які змінюють полярність постійної напруги, теж називаються інверторами. Краще було б назвати ці схеми інверторами полярності.

Рис. 20.12. Варіанти типового застосування ИС L74054. (А) інвертор напруги з нестабілізованим вихідним напругою. (В) інвертор напруги із стабілізованим виходом. Linear Technology Corporation.

Рис. 20.13. Безіндуктівное перетворення напруги одноелементні акумулятора в напругу 5 В. ИС МАХ660 являє собою подвоювач напруги з перемикається конденсатором. ІС МАХ661 є лінійним стабілізатором з низьким падінням напруги, maxim Integrated Products, Inc.

ІС Z, 71054 об’єднує в собі перетворювач з перемиканням конденсатора і стабілізатор напруги. Його блок-схема показана на рис. 20.14. Для більшої зручності на схемі позначені номери висновків. Використання тієї частини ІС, яка здійснює стабілізацію, не обов’язково. Можливе використання багатьох варіантів зміни полярності, подвоєння напруги і перетворення постійної напруги. Найпростішим прикладом застосуванням цієї ІС є інвертор напруги, схема якого наведена на рис. 20.12А. Хороші результати можна отримати застосовуючи танталові конденсатори. Постійне вихідна напруга в схемі на рис. 20.12А не стабілізована. Однак падіння напруги при струмі навантаження 100 мА становить близько 1 В; в багатьох випадках це досить хороший джерело. Вхідна напруга може змінюватися від 3,5 до 15 В. Номінальна частота перемикання, при якій досягається оптимальний к.к.д., дорівнює приблизно 25 кГц. Однак внутрішню частоту генератора можна понизити, підключаючи конденсатор між висновком 7 і землею, і підвищити, включивши його між висновками 7 і 2. Незважаючи на відносно низькі частоти, цей конденсатор має ємність всього лише десятки пікофарад. Синхронізацію генератора можна здійснити подаючи сигнал трохи більше високої частоти на висновок 7.

Виробник застерігає, що не можна допускати, щоб напруга на виводі 5 було позитивним щодо напруги на будь-якому іншому висновку. Це пов’язано з тим, що виведення 5, крім того, що він є вихідним контактом, пов’язаний також з підкладкою ІВ. У двох запропонованих схемах такої небезпеки не існує.

Рис. 20.14. Блок-схема ІС /, 71054 перетворювача напруги з перемиканням конденсатора і стабілізатором. Оскільки це схема перекачування заряду, то не потрібно ніякої котушки індуктивності. Linear Technology Corporation.

Додаючи декілька пасивних елементів, можна стабілізувати вихідну нащжженіе і при зміні постійного вхідного напруги, і при зміні струму навантаження. Цей варіант схеми наведено на рис. 20.12В. Стабілізація досягнута за допомогою додаткового управління ефективним опором комутатора на /? Л /?-Транзисторі, показаного на блок-схемі. Хоча цей рпртранзістор є частиною перемикає схеми перекачування заряду, для здійснення стабілізації він управляється аналогічно прохідному елементу в лінійному стабілізаторі. Тому не слід допускати занадто великої різниці між напругами на вході і виході з тим, щоб залишатися в межах номінальної потужності, що розсіюється ИС £ 71054.

Вдале застосування методу перекачування заряду або перемикання конденсатора показано на рис. 20.13. Пристрій, складене з двох ІС, являє собою стабілізований джерело з вихідним напругою 5 В при струмі 100 мА, що живиться від одноелементні 3-х вольтового літієвого акумулятора. При струмі навантаження, рівному 40 мА, схема може безперервно працювати 16 годин.

ІС МАХЬЬО є схемою перекачування заряду, використовуваної в режимі давоенія напруги. Таким чином, на вхід In ІС МАЯ667, що є стабілізатором напруги з малим падінням напруги, надходить номінальне напруга 6 В. К.к.д. цієї схеми складає 95%.

При струмі навантаження 100 мА, падіння напруга менше 100 мВ. Очевидно, що зазначені параметри неможливо отримати використовуючи цей літієвий акумулятор зі звичайною ІС стабілізатора – к.к.д. буде занадто низький, падіння напруги занадто велике.

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.