Convertisseur de tension de condensateur avec multiplication de courant

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Dans un souci de réduction de la taille des équipements radio conçus, les radioamateurs accordent une place importante à la miniaturisation de l'alimentation électrique. Habituellement, ce problème est résolu à l'aide d'un convertisseur de tension pulsée. Parallèlement, des progrès significatifs dans le domaine des composants électroniques permettent de créer des alimentations de petite taille fonctionnant sur le principe dit du "transformateur", mais ne contenant pas de transformateur. La simplicité relative de la conception et la disponibilité des composants les rendent également attrayants pour les radioamateurs.

À faible puissance de l'alimentation du réseau, une version sans transformateur avec un condensateur d'extinction est souvent utilisée [1]. L'inconvénient d'un tel bloc est que le courant consommé sur le réseau est approximativement égal à la sortie et devient très important avec une augmentation de la puissance de sortie, bien qu'il soit principalement de nature réactive. Dans le même temps, dans les transformateurs, ces courants sont connectés par le rapport de transformation. À cet égard, à notre avis, une alimentation à condensateur fonctionnant sur le principe du "transformateur" est pertinente.

Pour la première fois, une telle solution technique a été proposée par L. M. Braslavsky de l'Institut électrotechnique de Novossibirsk en 1972, après avoir déposé une demande d'invention. Il s'est avéré si original et non évident pour les spécialistes que le VNIIGPE a procédé à un examen de la demande pendant six années entières et ce n'est qu'en 1978 qu'il a délivré un certificat de droit d'auteur. Plus tard, d'autres solutions ont été brevetées, permettant la mise en place d'alimentations à condensateurs à plusieurs tensions de sortie [2] et leur stabilisation. Ces solutions ont beaucoup en commun avec les dispositifs utilisant des condensateurs commutés, qui sont assez populaires dans les circuits étrangers [3]. Un développement ultérieur de cette direction dans notre pays devrait être considéré comme un convertisseur AC-DC avec réduction de tension [4].

Un schéma simplifié d'un tel dispositif est présenté à la Fig. 1. Le principe de son fonctionnement est le suivant. Au moment initial, la chaîne de condensateurs C1 - Cn (de même capacité) de l'appareil est déchargée. Avec une demi-onde positive de la tension secteur, les diodes VD1, VD6-VD8 et VD2 s'ouvrent et les diodes VD3-VD5 ... VDn se ferment. Dans ce cas, tous les condensateurs de l'unité sont connectés en série et sont chargés par la tension secteur à sa valeur crête. De plus, la tension sur chacun des N condensateurs, du fait de l'égalité de leur capacité, est N fois inférieure à la tension d'amplitude du réseau et la capacité équivalente connectée au réseau est également N fois inférieure à la capacité d'un condensateur.

Dans la seconde moitié du demi-cycle positif, les diodes VD1, VD6-VD8 et VD2 se ferment et la charge électrique accumulée par elles est stockée sur les condensateurs. Avec un demi-cycle négatif, les diodes VD1 et VD2 sont fermées, à la suite de quoi l'unité de condensateur est déconnectée du réseau. A ce moment, il est possible de connecter une charge basse tension Rn à la sortie de l'unité en fermant les contacts de l'interrupteur électronique S1. Maintenant, les diodes VD3-VDn, VD9-VD11 s'ouvrent et tous les condensateurs chargés sont connectés à une charge basse tension en parallèle, ce qui permet d'obtenir une valeur moyenne du courant de décharge de l'unité nettement supérieure à celle de charge. Ainsi, le bloc effectue une diminution de tension tout en augmentant le courant de sortie. Étant donné que dans la première moitié du demi-cycle, il y a une accumulation d'énergie sur les condensateurs et dans la seconde - son retour, le fonctionnement de l'unité de condensateur a un caractère push-pull prononcé. Pour lisser les ondulations et augmenter la valeur moyenne du courant, la capacité du condensateur de filtrage Cf doit être suffisamment grande ou un autre condensateur similaire est utilisé qui fonctionne sur la même charge, mais en opposition de phase avec le premier.

Dans l'appareil considéré, la fermeture des contacts de l'interrupteur S1 se produit à la fréquence du réseau d'alimentation, ce qui réduit considérablement les pertes de commutation sur eux par rapport aux alimentations à découpage et, de plus, n'impose pas d'exigences aux diodes en termes de vitesse. Néanmoins, les exigences relatives à l'amplitude de la tension inverse demeurent. Ainsi, par exemple, les diodes VD1, VD2, VD3 - VDn et VD9 - VD11 doivent être inversées tension supérieure à la tension de crête du réseau et le courant moyen est 2N fois inférieur au courant de sortie. Toutes les autres diodes peuvent être inversées à tension N fois inférieure à l'amplitude du réseau.

Les inconvénients du dispositif sont le manque d'isolation galvanique du réseau et la tension de fonctionnement élevée du transistor, qui agit comme un interrupteur électronique S1. Mais la possibilité d'utiliser des condensateurs à oxyde basse tension de petite taille et des transistors haute tension modernes garantit la comparabilité des indicateurs de puissance des alimentations à condensateur avec les unités de commutation et les rend prometteurs pour une variété d'applications.

Sur la base de ces idées, un chargeur entièrement sans transformateur d'une puissance de 150 W a été conçu, dont la masse ne dépasse pas 1 kg. Il vous permet de mettre en œuvre la "formation" des batteries - un mode dans lequel la batterie est chargée pendant un demi-cycle de la tension secteur, puis déchargée avec un courant inférieur à la résistance de ballast.

Le convertisseur de tension à condensateur décrit est conçu pour charger des batteries de voiture d'une capacité allant jusqu'à 70 Ah, de sorte que le courant de sortie moyen maximal de l'appareil doit être de 7 A. Cette valeur est cohérente avec la limitation de la composante variable au niveau de 20 ... 30 % de la tension nominale pour les condensateurs à oxyde appliqués.

Le schéma de principe de l'appareil est illustré à la fig. 2. La diode de redressement VD38, le condensateur C13 et les diodes Zener VD39, VD40 forment la tension d'alimentation de l'unité de commande, qui synchronise le fonctionnement des transistors de commutation VT2 et VT3 avec la polarité de la tension secteur et stabilise le courant de sortie.

(cliquez pour agrandir)

L'appareil fonctionne comme suit. Avec une alternance positive de la tension secteur, un bloc de condensateurs C1 - C12 et un condensateur d'alimentation de stockage C13 sont chargés. Avec une alternance négative, la LED de l'optocoupleur U1 s'allume et son phototransistor, en s'ouvrant, shunte la jonction d'émetteur du transistor VT1. Le transistor VT1 se ferme et à travers la résistance R5 connecte l'entrée non inverseuse de l'ampli op DA1 à la sortie de l'unité de condensateur. En même temps, l'ampli-op lui-même commute et ouvre les transistors VT3, VT2 et la LED de l'optocoupleur U2.

L'ampli-op DA1 fonctionne en mode comparateur, de sorte que son signal de sortie ne peut prendre que deux valeurs - proches de la tension d'alimentation et à zéro. Si la tension sur son entrée inverseuse est supérieure à celle sur l'entrée non inverseuse, la tension de sortie sera proche de zéro et le transistor VT3 sera à l'état fermé. Sinon, la tension à la sortie de l'ampli-op est proche de la tension d'alimentation, le transistor VT3 s'ouvre et à travers la résistance R10 - le transistor VT2 et l'optocoupleur U2.

Le signal d'entrée pour stabiliser le courant de sortie est la tension sur l'unité de condensateur. Elle est liée à la charge électrique par des relations connues : U=CQ et dU/dt=CdQ/dt=CI. Ainsi, la variation de tension sur l'unité de condensateur (sa diminution) est directement proportionnelle à la charge donnée à la charge, donc, en stabilisant la charge dégagée par l'unité de condensateur lors d'un seul cycle de décharge, l'appareil stabilise le courant de sortie. Sa valeur est régulée par la résistance R7. Après la fermeture du transistor VT1, la tension de l'unité de condensateur est fournie à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel DA1 et est comparée à celle fournie à titre d'exemple à l'entrée inverseuse du diviseur R6-R8. Lorsque la tension sur l'unité de condensateur devient inférieure à celle de l'exemple, l'amplificateur opérationnel DA1 passe à l'état zéro et ferme le transistor VT3, et à travers lui (et la charge de l'appareil) le photodistor optocoupleur U2.

Si, pour une raison quelconque, la tension sur l'unité de condensateur n'a pas diminué jusqu'à l'exemple (c'est-à-dire que la charge déterminée par la position du curseur de la résistance R7 n'est pas entrée dans la charge) et que le temps imparti pour la décharge est terminé, l'opération de l'appareil pour empêcher la tension secteur d'entrer dans le périphérique de sortie est organisé comme ceci. La tension de l'alternance négative du réseau diminue jusqu'à ce que la LED de l'optocoupleur U1 s'éteigne et, par conséquent, son phototransistor se ferme. Cela conduit à l'ouverture du transistor VT1, shuntant l'entrée non inverseuse et commutant le comparateur DA1 et, par conséquent, fermant les transistors VT3, VT2 avant même l'apparition d'une alternance positive de la tension secteur. Ainsi, il y a une synchronisation forcée de l'unité de stabilisation de courant avec la polarité de la tension secteur.

L'optocoupleur U2 n'est nécessaire qu'en tant qu'amélioration de la sécurité et peut ne pas être disponible dans les alimentations intégrées.

La charge de la batterie prend un temps relativement long et nécessite un certain contrôle. Par conséquent, l'appareil offre la possibilité d'éteindre automatiquement la batterie en cours de charge à une tension de 14,2 ... 14,4 V. La fonction de l'élément de seuil pour déconnecter une batterie complètement chargée est assurée par le relais électromagnétique K1 (RES10), qui fonctionne à une tension d'environ 10,5 V. Le relais est connecté aux bornes de sortie X2 et X3 via une résistance d'ajustement de fil R11. Cette résistance, avec le condensateur C14, forme un filtre qui supprime la composante alternative de la tension de charge pulsée, mais laisse passer la composante continue à augmentation lente de la tension de la batterie. Par conséquent, lorsque la tension de seuil est atteinte, le relais K1 est activé et, en ouvrant les contacts K1.1, coupe l'alimentation du bloc condensateur et du système de contrôle. L'enroulement du relais lui-même reste alimenté par la batterie en cours de charge et, en raison de la présence d'hystérésis, s'éteint lorsque la tension chute à 11,8 V. Après cela, la batterie est automatiquement rechargée.

L'activation / désactivation de la fin automatique de la charge est effectuée par l'interrupteur SA2. L'utilisation du relais de la série RES10 est due à son faible courant de consommation et, par conséquent, au faible courant de décharge de la batterie en mode de terminaison de charge. Les contacts de faible puissance du relais utilisé reflètent également les caractéristiques du dispositif décrit liées au caractère capacitif de la charge. Par conséquent, une coupure dans le circuit d'alimentation de l'unité de condensateur se produit sans étincelle.

L'utilisation de deux fusibles secteur (FU1, FU2) et d'un interrupteur SA1 à deux sections est associée à des exigences de sécurité électrique accrues en raison du manque d'isolation galvanique de l'appareil par rapport au secteur.

L'apparence et certaines caractéristiques de conception du chargeur sans transformateur sont illustrées à la Fig. 3. Le corps de l'appareil est composé de deux plaques en aluminium en forme de U reliées par des vis. Sur sa paroi avant, il y a un indicateur de mise sous tension (HL1), un ampèremètre PA1 pour surveiller le courant de charge et les prises de sortie-pinces X2, X3. Les interrupteurs SA1, SA2 (interrupteurs à bascule), les potentiomètres R7, R11 et les fusibles secteur sont situés sur la paroi arrière du boîtier. L'emplacement des résistances d'accord y est dû à la présence d'un système de stabilisation du courant de charge, par conséquent, lors d'un fonctionnement dans un garage, il suffit de régler la valeur du courant de charge et le seuil de fonctionnement de la fin de charge avant opération de démarrage.

L'optocoupleur U2 et un puissant transistor VT3 sont installés dans la partie supérieure du boîtier, qui comporte des trous de ventilation. La zone de refroidissement de leurs dissipateurs thermiques est d'environ 20 cm2. Les dissipateurs thermiques sont fixés au boîtier avec des vis avec des bagues isolantes et des rondelles en plastique.

L'unité diode-condensateur est assemblée sur une carte de circuit imprimé en fibre de verre à une face, qui est montée sur des racks à l'intérieur du boîtier. Sur la deuxième carte, située sous l'unité de condensateur, toutes les pièces du système de contrôle du chargeur sont montées.

Il est possible d'utiliser n'importe quels condensateurs à oxyde dans l'unité de condensateur, mais de préférence du même type. Dans le cas de l'utilisation de condensateurs importés, les dimensions de cette unité peuvent être considérablement réduites. Les diodes du bloc peuvent également être quelconques, conçues pour le même courant et la même tension inverse - même les diodes D226B et D7Zh feront l'affaire, mais les dimensions du bloc et sa masse augmenteront considérablement.

L'optocoupleur TO325-12,5-4 sera remplacé par TO125-10 ou TO125-12,5 non inférieur à la classe 4. Au lieu de KP706B (VT3), il est possible d'utiliser des transistors à effet de champ domestiques similaires ou des IGBT importés pour le même courant et la même tension, et de préférence avec une résistance de canal minimale.

Lors du choix d'un relais électromagnétique (K1), il faut tenir compte du fait que la tension nominale de la plaque signalétique est environ 1,5 ... 1,7 fois supérieure à la tension de déclenchement et que la tension de déclenchement peut être quelque peu différente même pour les relais du même lot. Il est possible d'utiliser des relais RES9, RES22, RES32 et autres avec une consommation de courant suffisamment faible, pour une tension de fonctionnement de l'ordre de 8 ... broutage" contacts de relais et fausses alarmes.

Réglez l'appareil uniquement s'il y a des fusibles secteur. Avant d'allumer pour la première fois, assurez-vous de vérifier l'installation et les connexions correctes, car des erreurs peuvent entraîner la défaillance de la plupart des pièces et même l'explosion des condensateurs. En tant que police d'assurance, l'unité de condensateur peut être recouverte d'une boîte en carton épais ou en contreplaqué.

Un appareil correctement assemblé commence à fonctionner immédiatement. Fondamentalement, seule une sélection de résistances R6 et R8 est nécessaire pour régler la plage de réglage du courant de charge. Pour ce faire, connectez une batterie déchargée à la sortie de l'appareil et, à l'aide d'une sélection de résistances R6 et R8, réglez la plage de régulation du courant de charge par la résistance R1 à l'aide de l'ampèremètre PA7. Si, à la position initiale du curseur de la résistance R7, le courant est différent de zéro, vous devez alors réduire la résistance de la résistance R8. Si le courant de charge devient égal à zéro pas dans la position extrême du moteur R7, la résistance de cette résistance doit être augmentée. Ensuite, réglez le curseur de la résistance R7 sur sa position finale. Si maintenant le courant de charge est inférieur au maximum, la résistance de la résistance R6 devra être réduite, et si elle dépasse, elle sera augmentée.

Après cela, en réglant le commutateur SA2 sur la position "Mode manuel", amenez la batterie à pleine charge, en surveillant la tension avec un voltmètre CC. Débranchez ensuite l'appareil du secteur, réglez l'interrupteur à bascule SA2 sur le mode "Auto" et le curseur de résistance R11 sur la position de résistance maximale. Reconnectez l'appareil au réseau et en réduisant la résistance de la résistance R11, obtenez un fonctionnement clair du relais K1 - l'appareil est prêt à fonctionner.

Lors de l'installation et de l'utilisation du chargeur, vous devez vous rappeler qu'il n'y a pas d'isolation galvanique du secteur. Par conséquent, vous pouvez le connecter et le déconnecter de la batterie uniquement lorsque le cordon d'alimentation est débranché du secteur.

Le chargeur décrit est l'un des exemples spécifiques d'utilisation d'un convertisseur de tension à condensateur. Dans d'autres cas, il faut garder à l'esprit que la valeur effective de sa tension de sortie est d'environ 12 V et que la valeur d'amplitude est proche de 24 V. Par conséquent, il est plus opportun d'utiliser deux unités de condensateur pour alimenter les appareils électroniques, une dont fonctionne à partir du positif et le second à partir de la demi-onde négative de la tension secteur. Les sorties des deux blocs doivent être combinées et fonctionner pour une charge commune. Les blocs eux-mêmes sont presque identiques. Ils ne diffèrent que par leur connexion aux fils de réseau porteurs de courant: là où le premier bloc est connecté par des cathodes à diodes, le second est connecté par des anodes. Cela vous permet d'obtenir plus de puissance de sortie avec une diminution significative de la capacité des condensateurs de filtrage.

La tension de sortie du dispositif décrit est déterminée par le nombre de condensateurs dans la batterie et à une tension inférieure peut être réglée par pas assez petits.

La sortie du convertisseur décrit peut formellement être considérée comme non connectée au réseau, puisque le transistor VT3 et l'optocoupleur U2 sont fermés pendant une demi-période du réseau, et les diodes VD3 et VD4 sont fermées pendant l'autre. Cependant, vous ne pouvez pas compter sur le fait que toucher les bornes de sortie est sans danger. N'importe lequel des éléments mentionnés ci-dessus peut échouer, cela ne sera pas perceptible du point de vue du fonctionnement du convertisseur, mais l'un des fils de sortie sera connecté au réseau. Par conséquent, vous ne pouvez pas installer, par exemple, la diode VD4 et l'optocoupleur U2 - l'appareil fonctionnera normalement sans eux.

Sur la stabilisation du courant de sortie. Le courant de sortie est coupé au moment où la tension sur l'unité de condensateur diminue à la valeur définie par la résistance R7, et la tension initiale sur l'unité est proportionnelle à la tension du secteur. Comme les auteurs l'ont montré, le courant de sortie est proportionnel à la différence entre ces tensions, sa stabilisation n'est donc effectuée que lorsque la charge change. Les fluctuations de la tension secteur affectent le courant de sortie, avec une variation relative du courant de sortie environ deux fois la variation relative de la tension secteur.

Le dispositif de relais proposé par les auteurs pour éteindre le convertisseur à la fin de la charge de la batterie ne peut pas avoir une hystérésis de tension aussi étroite, comme indiqué dans l'article, car pour le relais RES-10, le courant de déclenchement est environ sept fois inférieur au courant de déclenchement. Pour obtenir l'hystérésis requise, il est nécessaire d'utiliser un relais avec un grand nombre de contacts. Lorsqu'il est déclenché, il doit introduire en série avec R11 une résistance variable supplémentaire, qui définit la tension de déclenchement du relais.

littérature

1. Biryukov S. Calcul d'une alimentation réseau avec un condensateur d'extinction. - Radio, 1997, n° 5, p. 48 - 50.
2. Braslavsky L. et al. Convertisseur tension-cc avec deux tensions de sortie de niveaux différents. Description de l'invention aux éd. certificat N° 797022. - Bulletin "Découvertes, inventions,...", 1981, n° 2.
3. Horowitz P., Hill W. L'art des circuits, en 3 volumes : T. 1. Per. de l'anglais, 4e éd. modifié et supplémentaire - M. : Mir, 1993, p. 399-401.
4. Bogdanovich M., Polyakov A. Convertisseur AC-DC avec réduction de tension. Description de l'invention aux éd. certificat N° 1182613. - Bulletin "Découvertes, inventions...", 1985, n° 36.

Auteur : N. Kazakov, A. Petrov, Volgograd

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