Транзисторный преобразователь напряжения

Ни в одной области человеческих знаний не было такой массовой общественно-технической самодеятельности, охватывающей людей самых различных возрастов и профессий, как в радиотехнике. Радиолюбительство – это могучее движение, которое привело к участию в радиоэкспериментах тысячи энтузиастов, посвящающих свой досуг технике

Кружки радиолюбителей – одни из самых популярных среди ребят школьного возраста. Кружок юного радиолюбителя создан и в нашей школе – государственном общеобразовательном учреждении «Средняя общеобразовательная школа № 14» с. Надежда, и я являюсь членом этого кружка. Занятия кружка проходит в кабинете физики, где находятся электроизмерительные приборы, учебно-наглядные пособия по электро- и радиотехнике. Что же касается слесарных и столярных работ, требующих специального оборудования, - их выполняют в учебных мастерских. Руководителям кружка является учитель физики Рамазанова Гелин Магомедшерифовна.

Свои первые знания об элементах электротехники мы получали, пользуясь карманным электрическим фонарем. Потому что в нем есть все, без него не может быть электрической цепи, являющейся основой любого электроприбора, усилительного или радиоприемного устройства. Ведь знакомство с элементами электротехники нужно начать с «чтения» электрических схем.

Хотя детекторный приемник утратил свою былую значимость, мы его тоже собрали на занятиях кружка. Таким образом, сборка детекторного приемника и опыты с ним послужили для меня этапом на пути к конструированию транзисторного радиоприемника. Тут меня очень заинтересовала идея создания преобразователя напряжения, когда для питания радиоаппаратуры требуется напряжение, более высокое по сравнению с напряжением источника питания (аккумулятора или бортовой сети).

Прежде чем заняться своим изобретением, мне надо было хорошо изучить принцип работы транзисторов, так как этот элемент мы на кружковых занятиях часто использовали в конструировании усилителей и приемников. С этой целью я изучил специальную литературу, познакомился с существующими моделями действующих транзисторов различных групп и типов.

Изученный материал заинтересовал меня особенно тем, что имеющиеся преобразователи напряжения постоянного тока на транзисторах имеют достаточно громоздкую принципиальную схему. Поэтому я для себя выбрал разработку более простого варианта действующего преобразователя напряжения на транзисторах, заменив в принципиальной схеме некоторые комплектующие элементы ( подробное описание приведено ниже).

Надеюсь, что разработанный мною вариант преобразователей напряжения данного типа вызовет интерес и найдет применение в радиотехнике, например, для питания магнитофонов, атомобильных приемников, проигрывателей, сотовых телефонов.

Преобразователи напряжения постоянного тока на транзисторах

Транзистор как основной комлектующий элемент преобразователей напряжения постоянного тока

Транзистор был изобретен в 1948г. за это изобретение американские ученные Дж. Бардин и У. Браттен, а также У. Шокли получили Нобелевскую премию

По исходному материалу транзисторы делятся на две основных группы: германиевые и кремневые. Германиевые транзисторы работают в диапазоне температур от –60 до –85С, кремневые- от –50 до 120-150С. по диапазону частот их делят на транзисторы низких, средних и высоких частот. Обозначение типов транзисторов состоит из трех элементов: первый – буква П (полупроводниковый триод, транзистор), второй – порядковый номер разработки, третий – соответствующая разновидность транзистора данного типа.

Транзистор может работать не только в режиме усиления, но и в режиме детектирования. Чтобы биополярный транзистор, работающий в режиме усиления, переключить на режим детектирования, надо лишь несколько уменьшить начальное напряжение смещения на его базе. Это свойство транзистора используется в пробнике, предназначенном для «прослушивания» на головные телефоны низкочастотных и высокочастотных цепей радиоприемника.

К появлению полупроводниковых триодов или транзисторов, применяемых для усиления тока или напряжения, привело использование двойного электронно-дырочного перехода. Транзистор представляет собой соединение трех полупроводников, например в такой последовательности:

Р-n-Р - к полупроводнику с электронной проводимостью (n) с двух сторон присоединяются полупроводники с «дырочной проводимостью» (Р)

Под действием электрического поля напряжением в 1,5В «дырки из эмиттера» впрыскиваются в промежуточный слой. Промежуточный слой называется «базой». Толщина промежуточного слоя очень мала – несколько микрон, и потому «дырки», проникшие в базу, не успевают нейтрализоваться ее электронами и проходят под действием поля правой батареи в третью часть триода – коллектор. Таким образом, через весь триод идет ток от эмиттера к коллектору почти одной величины. Незначительное изменение напряжения в цепи вызывает изменение тока как в эмиттере, так и в коллекторе. Благодаря большому нагрузочному сопротивлению в цепи коллектора напряжение на выходе изменяется значительно сильнее, чем напряжение, подаваемое на эмиттер.

Во многих радиоэлектронных устройствах применяются также выпрямители. Приведя в тесное соприкосновение два полупроводника с различным типом проводимости (Р и n), можно получить полупроводниковый диод, пропускающий ток в одном направлении (от Р к n ), их обозначение –

Крошечные по размерам полупроводниковые выпрямители и усилители позволяют применять их в самых маленьких радиоприемниках.

В этой схеме на эмиттерный Р-n-переход подается небольшое прямое напряжение Uэ, а на коллекторный Р-n-переход – обратное напряжение Uк в 10-20 раз большее.

Внутри транзистора ток эмиттера разветвляется на две части: ток коллектора и ток базы

Iэ=Iк+Iб

Так как толщина базы очень мала, то Iб составляет всего лишь0,001-0,1 тока эмиттера. Поэтому Iэ Iк. Это означает, что коллекторный ток определяется в основном током эмиттера и от изменения нагрузки почти не зависит. Это и позволяет использовать транзистор для усиления электрического напряжения.

Основные группы преобразователей напряжения на транзисторах, их применение и недостатки

Преобразователи напряжения применяются в тех случаях, когда для питания радиоаппаратуры требуются напряжения, более высокие по сравнению с напряжением источника питания (аккумулятора или бортовой сети).

Для питания маломощной радиоаппаратуры используются транзисторные преобразователи постоянного напряжения. Основной их недостаток - чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, достоинства – высокая надежность, сравнительно высокий КПД (70-90%), устойчивость к механическим воздействиям.

Преобразователи на транзисторах можно разделить на две группы: без усиления и с усилением.

Недостатком преобразователей первой группы является сильная зависимость преобразованного напряжения от величины нагрузки. Такие преобразователи целесообразно применять при малых мощностях преобразованного напряжения (до 20-30Вт) в тех случаях, когда нежелательно усложнять схему.

Преобразователи второй группы используются тогда, когда требуется значительная мощность преобразованного напряжения (свыше 30-50Вт) и при переменной нагрузке. Преобразователь второй группы состоит из генератора и усилителя, повышающего мощность колебаний генератора. Генератор и усилитель питаются от общего источника, постоянное напряжение которого необходимо преобразовывать.

Преобразователи напряжения на транзисторах первой группы (без усиления)

В транзисторных преобразователях напряжения в настоящее время широко используются двухтактные схемы генераторов с трансформаторной связью. Транзисторы генераторов могут быть включены по схеме с общей базой, с общим эмиттером или общим коллектором.

Чаще всего применяется схема с общим эмиттером, при использовании которой можно получить большой КПД при малых напряжениях источника питания. При высоких напряжениях источника питания (25-30 В) целесообразно включать транзисторы по схеме с общей базой т. к. в этой схеме допустимое напряжение на коллекторе больше. Включение транзисторов по схеме с общим коллектором удобно тем, что при этом не требуется изолировать корпус транзистора от шасси преобразователя.

Для расчета преобразователя необходимо знать требуемое выходное напряжение U2, номинальный ток нагрузки I2, напряжение источника питания U1 и условия работы преобразователя. Если ожидается кратковременная перегрузка, должно быть задано также максимальное значение тока нагрузки. Напряжение источника питания лучше всего выбирать в пределах 12-20 В, при меньших напряжениях питания КПД преобразователя будет меньшим. При напряжениях источника питания выше 20-25В обратное напряжение на коллекторе может оказаться близким к максимально допустимому для транзисторов.

Тип транзисторов выбирается по величине входного тока преобразователя I1, который приблизительно равен току коллектора Iкт :

Iкт= U2 I2 / ηU1 I1? где η - КПД преобразователя. Обычно принимают η =0,65-0,90

Верхний предел относится к преобразователям значительной мощности, нижний к маломощным преобразователям при напряжении источника питания 2-4 В. Чаще всего (при мощностях от единиц до нескольких десятков Ватт, напряжении источника питания 12-20 В и рационально выбранной частоте) η=0,8.

Вычисленная по приведенной формуле величина тока должна быть в полтора-два раза меньше допустимого тока коллектора. Допускается применять параллельное включение транзисторов. При этом нужно выбирать транзисторы с одинаковыми характеристиками и размещать параллельно соединенные транзисторы на одной пластине, служащей теплоотводом. В преобразователях мощностью более 15-20Вт транзисторы должны быть снабжены радиаторами (теплоотводом). Допустимое максимальное обратное напряжение транзисторов должно быть по крайней мере в два раза больше напряжения источника питания.

Преобразователи напряжения на транзисторах второй группы (с усилением)

Преобразователь напряжения, собранный по схеме рассчитывается следующим образом:

1. Определяется кол-во полупроводниковых диодов в каждом плече мостовой схемы выпрямителя:

N = U2 / Uобр где Uобр - допустимое обратное напряжение для выбранного типа диода. Полученное число округляется до целого в сторону увеличения.

Допустимое значение среднего выпрямленного тока для данного типа диодов должно быть больше половины номинального тока нагрузки преобразователя.

2. Ориентировочно определяется величина входной емкости фильтра:

C=1,5 106 I2 / f U2P , мкФ где f -частота преобразования, Гц;P -допустимый коэффициент пульсаций, %; I2 -ток нагрузки, А. Рис. 5 (Приложение 3)

Если трансформатор преобразователя собирается на магнитопроводе из трансформаторной стали, частота преобразования выбирается равной 1-2 кГц при мощностях до 100 Вт и 300-400 Гц при больших мощностях. Для маломощных преобразователей (единицы и один-два десятка Ватт) при использовании ферритов частота преобразования может быть повышена до 4-5кГц. Коэффициент пульсаций можно выбрать равным нескольким процентам.

3. Определяется габаритная мощность трансформатора:

Pгаб =1,3 U2 I2 Вт

4. Для выбора типа и размеров магнитопровода трансформатора определяется произведение площади сечения Sc на площадь окна Sокн:

Sc Sокн= 1,5 106 (Pгаб/ f Bm) см4 где Bm- максимальное значение индукции, Тл.

Для материалов с прямоугольной петлей гистерезиса и для тороидальных магнитопроводов из ферритов величину Bm можно считать равной индукции насыщения Bs. Для магнитопроводов из электротехнической стали и пермаллоя зависит от марки материала, типа магнитопровода и обычно определяется экспериментально. В некоторых случаях для определения можно воспользоваться данными.

Материал Тип магнитопровода Размеры магнитопровода, Среднее значение мм Bm , Тл.

Марка Толщина, мм

Э 42 0,35 Броневой Ш 9 Толщина набора 5-18 8500

Э44 0,2 Броневой Ш 9 Толщина набора 5-10 9000

50Р 0,15-0,2 Броневой Ш 9 Толщина набора 4-15 7700

79НМ 0,2 Броневой Ш 12 Толщина набора 4-10 7400

Э310 0,08 Ленточный разрезной Ш 9 Толщина ленты 10 10000

50НП 0,05 Тероидальный неразрезной Диаметр внутрен. - 30, 14500

наружный- 40-60, ширина ленты - 10

5. Определяется:

- количество витков половины коллекторной обмотки: wк= 0,25 108 ((U1 - 0,5)/f Bm Sc );

- количество витков половины базовой обмотки: w B= w к (( 3 4) /( U1 - 0,5));

- количество витков выходной обмотки: wв = wк ( U2 / (U1 - 0,5)).

6. Определяется действующее значение токов в коллекторной Iк, фазовой Iб и выходной Iв обмотках:

Iк= 0,7 Iкm; Iб = 0,7 Iкm ((1-α) / α); IB=Iн , где α - коэффициент усиления транзисторов по току.

7. Определяется диаметр проводов обмоток: d = 0,6 I , мм

8. Определяется приблизительное значение мощности, выделяющейся на одном транзисторе:

Pк= (0,25 + 0,017 U1) Iкm, Вт

По величине Pк определяются размеры радиаторов.

9. Определяются ориентировочные величины сопротивлений резисторов R1 и R2: R1 =(3 4)/ 2 Iб , Ом; и R2 = R1(U1-1)? Ом.

Преобразователь напряжения на транзисторах : принципиальная схема и аналитические расчеты

Опираясь на изученный материал и на анализ работы имеющихся действующих моделей преобразователей напряжения постоянного тока, я пришел к выводу, что можно несколько упростить принципиальную схему преобразователей напряжения данного типа и получить преобразователь напряжения переменного тока.

За основу своего преобразователя напряжения на транзисторах я взял схему преобразователя напряжения постоянного тока с общим коллектором.

Из этой схемы я убрал резисторы R1 и R2 и детекторную мостовую схему ДГ-Ц24

Вместо транзисторов П4Г подключил резисторы типа П213. такой преобразователь дает мощность до 50Вт. Трансформатор выполнен на магнитопроводе типа УШ20Х20 из стали марки Э41. Магнитопровод мною выполнен вперекрышку. Обмотка 1 содержит 40 х2 витков провода марки ПЭЛ 0,8; обмотка 2 содержит 50 х 2 витков провода марки ПЭЛ 0,2 и обмотка 3 содержит 950 витков

Напряжение питания 12В, выходное напряжение – 240В при токе нагрузки 0,07мА.

Входной ток преобразователя равен максимальному току коллектора:

Iкm = I1= U2 I2 / ηU1 I1 =240 0,07 /12 0,8= 1,7 А

Габаритная мощность трансформатора :

Pгаб= 1,33 U2 I2 =1,33 240 0,07 = 24,3 Вт

Так как трансформатор выполнен на магнитопроводе Ш- 20 х 20 то площадь окна Sокн = 5,28 см2 при максимальном значении индукции равной

В =8500 х10-4 Тл. Площадь сечения Sc =3,6см2

Количество витков половины коллекторной обмотки определяется по формуле: wк= 0,25 108 ((U1 - 0,5)/f Bm Sc ); где f - частота преобразования.

wк = 0,25 108 (12 – 0,5) / (103 8500 3,6)= 2,875 108 /306 105 = 8 витков

Количество витков половины базовой обмотки: w B= w к (( 3 4) /( U1 - 0,5)) = 8 3,5 /(12 – 0,5) = 28,0 /11,5 = 2,4 витка

Количество витков выходной обмотки: wв = wк ( U2 / (U1 - 0,5))= 6 240 / (12 - -0,5) = 152 витка

Действующее значение тока в коллекторной обмотке:

Iк =0,7 Iкm = 0,7 1,7 = 1,19 А

Действующее значение тока в базовой обмотке:

Iб = 0,7 Iкm ((1-α) / α) = 0,7 1,7 (1 – 0,9) /0,9 = 0,132 А

Действующее значение тока в выходной обмотке:

IB=Iн = 0,07 А

Приблизительное значение мощности, выделяющейся на одном транзисторе равна:

Pк= (0,25 + 0,017 U1) Iкm = (0,25 + 0,017 12 ) 1,7 = 0,76 Вт

На выходе преобразователя мы получаем переменное напряжение со стабильной частотой.

Я считаю, смонтированный мной преобразователь напряжения на транзисторах более практичен, так как, упрощена схема, и на выходе напряжение составляет не 220В, а 230-240В. Полученный преобразователь напряжения можно использовать для питания магнитофонов, автомобильных приёмников, проигрывателей, сотовых телефонов.

При работе с преобразователями напряжения тока следует иметь в виду и тот факт, что предельные параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзисторов. Превышение предельных параметров приводит к резкому снижению надёжности транзисторов.

Максимальная мощность Рm –значение предельной мощности, рассеиваемой транзистором, при которой обеспечивается заданная надежность при длительной работе.

Максимальное обратное напряжение коллектор-база Uк. б. o. - напряжение между коллектором и базой и Iэ=0, при котором обеспечивается заданная надежность. Этот параметр используется для расчета режима работы закрытого транзистора или при включении его по схеме с общей базой.

Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uк. э. о -значение предельного напряжения между коллектором и эмиттером при Iб =0 (Uк. б. R при наличии сопротивления в цепи базы). Значение Uк. э. о существенно зависит от тока коллектора и может быть определено по формуле:

Uк. э. о = Uк. б. o / h21э , где n = 3.

Для кремневых и Р-n -Р германиевых транзисторов n =3.

И в заключении мне еще раз хочется вернуться к теме « Электропитание малогабаритных радиоустройств». Оно осуществляется гальваническими элементами, батареями, малогабаритными аккумуляторами и преобразователями напряжения.

При выборе гальванических элементов или батарей следует обращать внимание на дату их изготовления, так как эти источники питания сохраняют свои характеристики в течение определенного времени.

Основные характеристики аккумуляторов такие же,, как и для гальванических элементов. Только здесь надо учитывать коэффициент отдачи емкости, который зависит от среднего значения напряжения во время заряда и разряда. Во избежание выхода из строя батареи нельзя допускать глубокого разряда отдельных аккумуляторов, запрещается разряжать и заряжать аккумуляторы, соединенные параллельно.

А когда для питания радиоаппаратуры требуется напряжение , более высокое по сравнению с напряжением аккумулятора, нужно пользоваться транзисторными преобразователями напряжения.

Основными параметрами используемых транзисторов являются :

• Параметры постоянного тока, которые связаны с обратными токами переходов;

• Малосигнальные параметры, характеризующие работу транзистора при воздействии малого сигнала;

• Высокочастотные параметры. Предельные частоты определяются по значению параметра, соответствующего пределу, выше которого транзистор не может быть использован как усилительный элемент;

• Параметры большого сигнала, характеризующие работу транзистора при изменении токов и напряжений в широких пределах.

Принципиальная схема разработанного мною преобразователя напряжения учитывает все выше перечисленные параметры и позволяет решить задачу обеспечения электропитанием малогабаритных радиоустройств.