Сверхнизковольтный преобразователь напряжения
Дата: 11.11.2010
Раздел: Электроника


Сверхнизковольтный преобразователь. напряжения
Рассмотрен один из вариантов построения повышающего преобразователя напряжения, который способен работать от входного напряжения всего лишь 20мВ!!! и, конечно, от более высоких.






Один из участников форума на сайте www.mobipower.ru с ником "Vladlat" обратил мое внимание на интересную микросхему от компании Linear Technology LTC3108 (pdf-описание), которая позволяет получать выходное напряжение до 5В от источников питания от 20мВ!!! до 0.6В(5В).

Сама микросхема предназначена для питания микромощных датчиков и для целей мобильной энергетики подходит плохо, но интересным в ней оказался способ повышения входного напряжения. Очень интересно было узнать, как инженеры LTC сумели решить задачу запуска преобразователя от мизерных напряжений питания в пару десятков милливольт. Ведь при таких напряжениях ещё невозможно ни открыть pn-переход кремниевого транзистора, на что нужно не меньше 0.5В, ни управлять полевым транзистором, которому нужны примерно такие же напряжения на затворе.

Рассмотрим структуру микросхемы подробнее. На рисунке ниже дан типовой вариант подключения.

Сверхнизковольтный преобразователь. напряжения
 
На рисунке видно, что микросхема питается от термоэлектрического генератора (вместо которого может быть и любой другой низковольтный источник) с напряжением от 20мВ до 500мВ. При этом, питающее напряжение (ток) проходит через небольшой трансформатор.

Правая часть схемы в нашем случае, интереса не представляет. Это выходные напряжения для питания датчика и управляющий сигнал, сообщающий датчику, что с питанием всё в порядке.

Структура микросхемы выглядит так.

Сверхнизковольтный преобразователь. напряжения
 
Но нас будет интересовать только повышающая часть, которая превращает низкое входящее напряжение в более высокое, от которого в дальнейшем уже и питаются все остальные элементы.

Сверхнизковольтный преобразователь. напряжения
 
На рисунке мы видим высокочастотный генератор, самовозбуждение которого происходит благодаря вторичной обмотке трансформатора. Трансформатор повышающий, поэтому напряжение на затворе полевого транзистора оказывается в N раз больше входного. Здесь N=20...100 - коэффициент передачи трансформатора.

Работает схема так. При подключении источника питания, любой, самый малый ток стекающий от него через первичную обмотку трансформатора, вернее, его увеличение, и ключевой транзистор, будет вызывать появление напряжение на вторичной обмотке этого трансформатора, которое ещё больше будет открывать этот транзистор, что вызовет ещё большее нарастание тока. Т.е. осуществляется положительная обратная связь (ПОС), что необходимо для возникновения генерации.

Нарастание тока не может быть бесконечным и в какой-то момент оно останавливается и начинает уменьшаться. Уменьшение же тока первичной обмотки приводит к закрыванию транзистора, что ведет к ещё большему уменьшению тока. Процесс лавинообразный.

В дальнейшем, при снижении тока до нуля, процесс повторяется. Т.е. происходят автоколебания.

Частота переключений может определяться либо трансформатором, либо постоянной времени конденсатора С2 и резистора между затвором и землей полевого транзистора. Частота переключений будет большей из возможных. Но лучше использовать трансформатор, который не входит в насыщение, т.к. при этом снижается КПД.

Осциллограммы напряжений на стоке транзистора и на выводах вторичной обмотки трансформатора показаны на рисунке ниже.

Сверхнизковольтный преобразователь. напряжения
 
После того, как генератор "раскачался", часть мощности его колебаний отводится через конденсатор С1. На фото видно два диода выпрямителя этого переменного напряжения и стабилитрон на 5.25В для ограничения выходного напряжения схемы. Синхронный выпрямитель, параллельный диоду повышает КПД схемы. Вообще говоря, его может и не быть.

Схема стабилизации выходного напряжения на стабилитроне, конечно, ужасно расточительна, но в данном случае при мизерных токах она оправдана.

Стабилизация необходима, т.к. поскольку схема работает в очень широком диапазоне входных напряжений от 20 до 500мВ, то на выходе трансформатора (при N=100) мы бы имели импульсы от 2 до 50В, которые, в данном случае, "срезаются" стабилитроном.

Сверхнизковольтный преобразователь. напряжения
 
На рисунке видно, что КПД схемы с трансформатором N=100 не превышает 40%. Причем, максимум приходится на низкое напряжение питания около 60мВ (в это время, на выходе трансформатора имеем, как раз 60мВ*100=6В). При этом напряжении стабилитрон ещё не включился в работу и потерь на нем нет. Дальнейшее снижение КПД как раз и обусловлено потерями в стабилитроне.

Замечу, что при других коэффициентах трансформации КПД может подниматься до 60%.

Чем же может быть полезна данная схема для нас? На её основе можно попробовать сделать повышающие преобразователи, работающие от источников низкого напряжения - термоэлектрогенераторов, одиночных солнечных ячеек и т.п.

Тем более, что схема то простейшая: один транзистор, трансформатор, и конденсатор. И повторить её труда не составит.

Если же ограничить диапазон изменения входного напряжения, то можно подобрать или намотать ВЧ трансформатор с таким отношением обмоток, что КПД схемы будет весьма высоким, на уровне "обычных" для импульсных схем значений.

Также, предполагаю, полезно будет выполнять отвод энергии не от управляющей обмотки для ключевого транзистора, а от отдельной.

Можно подумать и об изменении способа стабилизации выходного напряжения. В общем, простор для творчества имеется. В данной же статье хотел обратить внимание на сам принцип, как выполнено повышение сверхнизких напряжений в одной из коммерческих микросхем. А как использовать этот принцип - думаем сами.


Автор: Носов Николай        11.11.2010


Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас  www.mobipower.ru.






Реклама:





Это статья с сайта: Всё о мобильной энергии - солнечные батареи и другая электроника для туристов
http://www.mobipower.ru

URL этой статьи:
http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=347