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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 전류 증배 기능이 있는 커패시터 전압 변환기
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 전압 변환기, 정류기, 인버터 설계된 무선 장비의 크기를 줄이기 위한 노력의 일환으로 무선 아마추어는 전원 공급 장치의 소형화에 중요한 위치를 부여합니다. 일반적으로 이 문제는 펄스 전압 변환기를 사용하여 해결됩니다. 한편, 전자 부품 분야의 상당한 발전으로 소위 "변압기" 원리로 작동하지만 변압기를 포함하지 않는 소형 전원 공급 장치를 만들 수 있습니다. 디자인의 상대적 단순성과 구성 요소의 가용성은 라디오 아마추어에게도 매력적입니다. 네트워크 전원 공급 장치의 저전력에서는 퀀칭 커패시터가 있는 무변압기 버전이 자주 사용됩니다[1]. 이러한 블록의 단점은 네트워크에서 소비되는 전류가 출력과 거의 같고 출력 전력이 증가함에 따라 매우 커진다는 것입니다. 동시에 변압기 장치에서 이러한 전류는 변환 비율로 연결됩니다. 이와 관련하여 "변압기"원리로 작동하는 커패시터 전원 공급 장치가 관련이 있다고 생각합니다. 처음으로 이러한 기술 솔루션은 1972 년 Novosibirsk Electrotechnical Institute의 L. M. Braslavsky가 발명을 신청 한 후 제안했습니다. VNIIGPE가 1978년 동안 신청서에 대한 심사를 수행했고 2년에야 저작권 인증서를 발급한 것은 전문가들에게 매우 독창적이고 명백하지 않은 것으로 판명되었습니다. 나중에 다른 솔루션이 특허를 받아 여러 출력 전압 [3] 및 안정화를 통해 커패시터 전원 공급 장치를 구현할 수 있게 되었습니다. 이러한 솔루션은 외국 회로에서 널리 사용되는 스위치드 커패시터를 사용하는 장치와 공통점이 많습니다[4]. 우리나라에서 이 방향의 추가 개발은 전압 감소가 있는 AC-DC 변환기로 간주되어야 합니다[XNUMX]. 이러한 장치의 단순화 된 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 1. 동작원리는 다음과 같다. 초기 순간에 장치의 커패시터 체인 C1-Cn(동일한 용량)이 방전됩니다. 주전원 전압의 양의 반파로 다이오드 VD6, VD8-VD2 및 VD3가 열리고 다이오드 VD5-VDXNUMX ... VDn이 닫힙니다. 이 경우 장치의 모든 커패시터는 직렬로 연결되고 주전원 전압에 의해 진폭 값으로 충전됩니다. 또한 커패시턴스의 동등성으로 인해 N 커패시터 각각의 전압은 네트워크의 피크 전압보다 N 배 적고 네트워크에 연결된 등가 커패시턴스도 하나의 커패시터의 커패시턴스보다 N 배 적습니다.
포지티브 하프 사이클의 후반부에 다이오드 VD1, VD6-VD8 및 VD2가 닫히고 축적 된 전하가 커패시터에 저장됩니다. 음의 반주기를 사용하면 다이오드 VD1 및 VD2가 닫히고 그 결과 커패시터 장치가 네트워크에서 분리됩니다. 이때 전자 스위치 S1의 접점을 닫아 저전압 부하 Rn을 장치의 출력에 연결할 수 있습니다. 이제 다이오드 VD3-VDn, VD9-VD11이 열리고 모든 충전 커패시터가 저전압 부하에 병렬로 연결되어 충전 전류보다 훨씬 높은 방전 전류의 평균 값을 장치에서 얻을 수 있습니다. 따라서 블록은 출력 전류를 증가시키면서 전압 감소를 수행합니다. 하프 사이클의 전반부에는 커패시터에 에너지가 축적되고 두 번째에는 반환되므로 커패시터 장치의 작동에는 뚜렷한 푸시 풀 특성이 있습니다. 잔물결을 완화하고 평균 전류 값을 높이려면 필터링 커패시터 Cf의 커패시턴스가 충분히 크거나 동일한 부하에서 작동하지만 첫 번째 부하와 반대 위상으로 작동하는 다른 유사한 커패시터 장치가 사용되어야 합니다. 고려중인 장치에서 스위치 S1의 접점 폐쇄는 공급 네트워크의 주파수에서 발생하여 스위칭 전원 공급 장치에 비해 스위칭 손실을 크게 줄이고 다이오드에 대한 요구 사항을 부과하지 않습니다. 속도. 그럼에도 불구하고 역전압의 크기에 대한 요구 사항은 그대로 유지됩니다. 따라서 예를 들어 다이오드 VD1, VD2, VD3 - VDn 및 VD9 - VD11은 네트워크의 피크 전압보다 높은 역 전압이어야 하며 평균 전류는 출력 전류보다 2N 배 적습니다. 다른 모든 다이오드는 진폭 네트워크보다 N 배 적은 역 전압이 될 수 있습니다. 장치의 단점은 네트워크로부터 갈바닉 절연이 부족하고 전자 스위치 S1 역할을 하는 트랜지스터의 높은 작동 전압입니다. 그러나 소형 저전압 산화물 커패시터와 최신 고전압 트랜지스터를 사용할 가능성은 커패시터 전원 공급 장치의 전원 표시기와 스위칭 장치의 비교 가능성을 보장하고 다양한 애플리케이션에 유망하게 만듭니다. 이러한 아이디어를 바탕으로 150kg을 초과하지 않는 1W 전력의 완전 무 변압기 충전기가 설계되었습니다. 이를 통해 배터리의 "트레이닝"을 구현할 수 있습니다. 이 모드는 주전원 전압의 XNUMX/XNUMX 사이클 동안 배터리가 충전된 다음 더 낮은 전류로 안정기 저항으로 방전되는 모드입니다. 설명된 커패시터 전압 변환기는 최대 70Ah 용량의 자동차 배터리를 충전하도록 설계되었으므로 장치의 최대 평균 출력 전류는 7A여야 합니다. 이 값은 20레벨에서 가변 구성 요소의 제한과 일치합니다. ... 적용된 산화물 커패시터에 대한 공칭 전압의 30%. 장치의 개략도는 Fig. 2. 정류기 다이오드 VD38, 커패시터 C13 및 제너 다이오드 VD39, VD40은 스위칭 트랜지스터 VT2 및 VT3의 작동을 전원 전압의 극성과 동기화하고 출력 전류를 안정화시키는 제어 장치의 공급 전압을 형성합니다.
장치는 다음과 같이 작동합니다. 주전원 전압의 양의 반파로 커패시터 C1-C12 블록과 저장 전원 커패시터 C13이 충전됩니다. 음의 반파를 사용하면 옵토 커플러 U1의 LED가 켜지고 광 트랜지스터가 열리면 트랜지스터 VT1의 이미 터 접합이 분로됩니다. 트랜지스터 VT1이 닫히고 저항 R5를 통해 연산 증폭기 DA1의 비 반전 입력을 커패시터 장치의 출력에 연결합니다. 동시에 연산 증폭기 자체가 트랜지스터 VT3, VT2 및 광 커플러 U2의 LED를 전환하고 엽니다. 연산 증폭기 DA1은 비교기 모드에서 작동하므로 출력 신호는 공급 전압에 가깝고 3에 가까운 두 가지 값만 취할 수 있습니다. 반전 입력의 전압이 비반전 입력의 전압보다 크면 출력 전압은 3에 가까워지고 트랜지스터 VT10은 닫힌 상태가 됩니다. 그렇지 않으면 연산 증폭기 출력의 전압이 공급 전압에 가깝고 트랜지스터 VT2이 열리고 저항 R2-트랜지스터 VTXNUMX 및 옵토 커플러 UXNUMX를 통해 열립니다. 출력 전류를 안정화하기 위한 입력 신호는 커패시터 유닛의 전압입니다. 이는 알려진 관계인 U=CQ 및 dU/dt=CdQ/dt=CI에 의해 전하와 관련됩니다. 따라서 커패시터 장치의 전압 변화 (감소)는 부하에 주어진 전하에 정비례하므로 단일 방전 사이클 동안 커패시터 장치에 의해 제공된 전하를 안정화함으로써 장치는 출력 전류를 안정화합니다. 그 값은 저항 R7에 의해 조절됩니다. 트랜지스터 VT1을 닫은 후 커패시터 유닛의 전압은 연산 증폭기 DA1의 비 반전 입력에 공급되고 분배기 R6-R8의 반전 입력에 공급되는 예시적인 전압과 비교됩니다. 커패시터 유닛의 전압이 예시적인 것보다 낮아지면 연산 증폭기 DA1은 제로 상태로 전환되고 트랜지스터 VT3을 닫고이를 통해 (및 장치의 부하) 옵토 커플러 포토 디스터 U2를 닫습니다. 어떤 이유로 커패시터 유닛의 전압이 예시적인 전압으로 감소하지 않고 (즉, 저항 R7 슬라이더의 위치에 의해 결정된 전하가 부하로 들어 가지 않음) 방전에 할당 된 시간이 종료되면 작동 주전원 전압이 출력 장치에 들어가는 것을 방지하기 위한 장치의 구성은 다음과 같습니다. 광 커플러 U1의 LED가 꺼지고 결과적으로 광 트랜지스터가 닫힐 때까지 네트워크의 음의 반파 전압이 감소합니다. 이로 인해 트랜지스터 VT1이 열리고 비 반전 입력이 분로되고 비교기 DA1이 전환되어 주전원 전압의 양의 반파가 나타나기 전에도 트랜지스터 VT3, VT2가 닫힙니다. 따라서 전류 안정화 장치와 전원 전압의 극성이 강제로 동기화됩니다. U2 옵토커플러는 보안 강화용으로만 필요하며 내장 전원 공급 장치에서는 사용하지 못할 수 있습니다. 배터리를 충전하는 데는 비교적 오랜 시간이 걸리며 약간의 제어가 필요합니다. 따라서이 장치는 14,2 ... 14,4 V의 전압에서 충전중인 배터리를 자동으로 끄는 기능을 제공합니다. 완전히 충전 된 배터리를 분리하기위한 임계 값 요소의 기능은 전자기 릴레이 K1 (RES10)에 의해 수행됩니다. 약 10,5V의 전압에서 작동합니다. 릴레이는 와이어 트림 저항 R2을 통해 출력 단자 X3 및 X11에 연결됩니다. 이 저항은 커패시터 C14와 함께 맥동 충전 전압의 AC 성분을 억제하지만 배터리 전압의 천천히 상승하는 DC 성분을 통과시키는 필터를 형성합니다. 따라서 임계 전압에 도달하면 릴레이 K1이 활성화되고 접점 K1.1을 열면 커패시터 장치와 제어 시스템의 전원이 꺼집니다. 릴레이 권선 자체는 충전 중인 배터리에 의해 계속 활성화되며 히스테리시스로 인해 전압이 11,8V로 떨어지면 꺼집니다. 그 후 배터리가 자동으로 재충전됩니다. 자동 충전 종료를 켜고 끄는 것은 스위치 SA2에 의해 수행됩니다. RES10 계열 계전기를 사용하는 이유는 낮은 소비 전류 때문이며 결과적으로 충전 중지 모드에서 낮은 배터리 방전 전류 때문입니다. 사용된 계전기의 저전력 접점은 또한 부하의 용량성 특성과 관련된 설명된 장치의 특징을 반영합니다. 따라서 스파크없이 커패시터 유닛의 전원 공급 회로가 끊어집니다. 1개의 메인 퓨즈(FU2, FU1)와 XNUMX섹션 SAXNUMX 스위치의 사용은 메인에서 장치의 갈바닉 절연 부족으로 인해 증가된 전기 안전 요구 사항과 관련이 있습니다. 무변압기 충전기의 외관과 일부 설계 특징은 그림 3에 나와 있습니다. 1. 장치 본체는 나사로 연결된 두 개의 U 자형 알루미늄 판으로 구성됩니다. 전면 벽에는 전원 표시기(HL1), 충전 전류를 모니터링하기 위한 전류계 PA2 및 출력 소켓 클램프 X3, X1이 있습니다. 스위치 SA2, SA7(토글 스위치), 트리머 R11, RXNUMX 및 메인 퓨즈는 케이스 후면 벽에 있습니다. 거기에 튜닝 저항을 배치하는 것은 충전 전류를 안정화하는 시스템이 있기 때문에 차고에서 작동할 때 충전 전류 값과 충전 종료를 작동하기 위한 임계값을 설정하기만 하면 됩니다. 작업 시작.
광 커플러 U2와 강력한 트랜지스터 VT3는 통풍구가있는 케이스 상단에 설치됩니다. 방열판의 냉각 영역은 약 20cm2입니다. 방열판은 절연 부싱과 플라스틱 와셔가 있는 나사로 케이스에 부착됩니다. 다이오드-커패시터 장치는 케이스 내부의 랙에 장착된 단면 호일 유리 섬유로 만든 인쇄 회로 기판에 조립됩니다. 커패시터 장치 아래에 있는 두 번째 보드에는 충전기 제어 시스템의 모든 부품이 장착되어 있습니다. 커패시터 유닛에 산화물 커패시터를 사용할 수 있지만 동일한 유형이 바람직합니다. 수입 커패시터를 사용하는 경우 본 장치의 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 블록의 다이오드는 동일한 전류 및 역 전압을 위해 설계된 임의의 것이 될 수도 있습니다. 다이오드 D226B 및 D7Zh도 가능하지만 블록의 크기와 질량이 크게 증가합니다. 광 커플러 TO325-12,5-4는 클래스 125보다 낮지 않은 TO10-125 또는 TO12,5-4로 대체됩니다. KP706B(VT3) 대신 동일한 전류 및 전압에 대해 유사한 국내 전계 효과 트랜지스터 또는 수입 IGBT를 사용할 수 있으며 바람직하게는 최소 채널 저항을 사용합니다. 전자기 계전기(K1)를 선택할 때 명판 정격 전압이 트립 전압보다 약 1,5 ~ 1,7배 높고 동일한 배치의 릴레이에 대해서도 트립 전압이 다소 다를 수 있다는 점을 고려해야 합니다. 9 ... 채터" 릴레이 접점 및 오탐지 범위의 작동 전압에 대해 충분히 낮은 전류 소비로 릴레이 RES22, RES32, RES8 및 기타를 사용할 수 있습니다. 주전원 퓨즈가 있는 경우에만 장치를 조정하십시오. 오류로 인해 대부분의 부품이 고장나고 커패시터가 폭발할 수도 있으므로 처음으로 전원을 켜기 전에 올바른 설치 및 연결을 확인하십시오. 보험 정책으로 커패시터 장치는 두꺼운 판지 또는 합판으로 만든 상자로 덮을 수 있습니다. 제대로 조립된 장치는 즉시 작동하기 시작합니다. 기본적으로 충전 전류 조정 범위를 조정하려면 저항 R6 및 R8만 선택하면 됩니다. 이렇게하려면 방전 된 배터리를 장치의 출력에 연결하고 저항 R6 및 R8을 선택하여 전류계 PA1을 사용하여 저항 R7에 의한 충전 전류 조절 범위를 설정하십시오. 저항 R7 슬라이더의 초기 위치에서 전류가 8이 아닌 경우 저항 R7의 저항을 줄여야 합니다. 충전 전류가 R7 엔진의 극한 위치가 아닌 6이 되면 이 저항의 저항을 증가시켜야 합니다. 그런 다음 저항 RXNUMX의 슬라이더를 최종 위치로 설정하십시오. 이제 충전 전류가 최대값보다 작으면 저항 RXNUMX의 저항을 줄여야 하며 초과하면 증가합니다. 그런 다음 SA2 스위치를 "수동 모드" 위치로 설정하고 배터리를 완전히 충전하고 DC 전압계로 배터리의 전압을 모니터링합니다. 그런 다음 주전원에서 장치를 분리하고 SA2 토글 스위치를 "자동" 모드로 설정하고 R11 저항 슬라이더를 최대 저항 위치로 설정합니다. 장치를 네트워크에 다시 연결하고 저항 R11의 저항을 줄임으로써 릴레이 K1의 명확한 작동을 달성하면 장치가 작동 준비가 된 것입니다. 충전기를 설정하고 작동할 때 주전원에서 갈바닉 절연이 없음을 기억해야 합니다. 따라서 주전원에서 전원 코드를 분리한 경우에만 배터리에 연결하거나 분리할 수 있습니다. 설명된 충전기는 커패시터 전압 변환기를 사용하는 구체적인 예 중 하나입니다. 다른 경우에는 출력 전압의 유효 값이 약 12V이고 진폭 값이 24V에 가깝다는 점을 염두에 두어야 합니다. 따라서 전자 장치에 전원을 공급하기 위해 두 개의 커패시터 장치를 사용하는 것이 더 편리합니다. 그 중 하나는 양수에서 작동하고 두 번째는 주전원 전압의 음수 반파에서 작동합니다. 두 블록의 출력은 결합되어야 하며 하나의 공통 부하에 대해 작동해야 합니다. 블록 자체는 거의 동일합니다. 그것들은 전류가 흐르는 네트워크 와이어와의 연결에서만 다릅니다. 첫 번째 블록은 다이오드 음극으로 연결되고 두 번째 블록은 양극으로 연결됩니다. 이를 통해 필터 커패시터의 커패시턴스를 크게 줄이면서 더 많은 출력을 얻을 수 있습니다. 설명된 장치의 출력 전압은 배터리의 커패시터 수에 의해 결정되며 더 낮은 전압에서 상당히 작은 단계로 설정할 수 있습니다. 설명 된 변환기의 출력은 네트워크의 한 반주기 동안 트랜지스터 VT3과 광 커플러 U2가 닫히고 다른 반주기 동안 다이오드 VD3 및 VD4가 닫히기 때문에 공식적으로 네트워크에 연결되지 않은 것으로 간주 될 수 있습니다. 그러나 출력 단자를 만지는 것이 안전하다는 사실에 의존할 수는 없습니다. 위에서 언급 한 요소 중 하나라도 실패 할 수 있으며 변환기 기능의 관점에서 눈에 띄지 않지만 출력 와이어 중 하나가 네트워크에 연결됩니다. 따라서 예를 들어 VD4 다이오드와 U2 광 커플러를 설치할 수 없습니다. 장치가 없으면 정상적으로 작동합니다. 출력 전류의 안정화에 대해. 커패시터 장치의 전압이 저항 R7에 의해 설정된 값으로 감소하는 순간 출력 전류가 꺼지고 장치의 초기 전압은 주전원 전압에 비례합니다. 저자가 보여준 것처럼 출력 전류는 이러한 전압의 차이에 비례하므로 부하가 변경될 때만 안정화가 수행됩니다. 주전원 전압의 변동은 출력 전류에 영향을 미치며 출력 전류의 상대적 변화는 주전원 전압의 상대적 변화의 약 두 배입니다. 배터리 충전이 끝날 때 변환기를 끄기 위해 저자가 제안한 릴레이 장치는 기사에 표시된 것처럼 좁은 전압 히스테리시스를 가질 수 없습니다. RES-10 릴레이의 경우 릴리스 전류가 트립 전류. 필요한 히스테리시스를 얻으려면 접점 수가 많은 릴레이를 사용해야 합니다. 트리거되면 릴레이의 해제 전압을 설정하는 추가 가변 저항을 R11과 직렬로 도입해야 합니다. 문학
저자: N.Kazakov, A.Petrov, 볼고그라드
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▪ 기사 간단한 금속 탐지기. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전 기사에 대한 의견: 알렉세이 나는 한 가지를 이해하지 못했습니다. 회로에는 12볼트에서 2200mF에 25개의 커패시터가 있습니다. 2200볼트에서 35mF를 넣으면 10개입니다. 그리고 50볼트이면 8로 제한될 수 있습니까? 내가 올바르게 이해하고 있습니까?
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