Коротко о батарее.


Светильник, который на фотографии выше, основан на батарее, которая выдает низкое напряжение. В данном случае это 0,3 — 0,6V при токе до 100mA. Преобразователь, который уже работает в середине, питает светодиоды. Но КПД оставляет желать лучшего.


Думаем о преобразователе.

Идея — сделать простой преобразователь из подручных компонентов с минимальным количеством компонентов. И сделать его «дуракоупорным».

Самый простой преобразовтель получается из схемы трансформаторного усилителя. Достаточно подать выходной сигнал на вход и генератор начинает работать. Известен под названием «блокинг генератор».

Если схему собрать один к одному то, пока не сгорит транзистор, схема будет выдавать «+» импульсы амплитудой 30V. А сгорит он скоро и вот почему.

Когда транзистор открылся, напряжение на коллекторной обмотке 1V. Такое же напряжение на базовой обмотке, складывается с напряжением питания и открывает транзистор. То есть, теоретически, на базе присутствует 2V.

Когда транзистор закрывается, ток через индуктивность прекращается и магнитное поле в катушке начинает уменьшаться. Уменьшающиеся магнитное поле наводит в обоих катушках трансформатора напряжение противоположной полярности. Так как транзистор закрыт и ток не течет, то амплитуда этого напряжения может увеличиваться до бесконечности. В реальной схеме напряжение на коллекторной быстро увеличивается до 30V. В то же время, такое же напряжение появляется на базовой обмотке, только со знаком «-». Таким образом, между коллектрором и базой имеем 60V, которые убивают транзистор. Если происходит обратимый пробой, то выходное напряжение ограничивается, а транзистор
бесполезно нагревается. Если пробой необратимый, то транзистор сгорает, тут же.

Что бы этого избежать, достаточно ограничить напряжение на любой из обмоток. Светодиод или стабилитрон будут решать эту проблему одинаково. Максимально напряжение стабилитрона должно быть меньше половины масимального напряжение между коллектором и базой (Vcbo (max)), для данного транзистора.

Если начать играться с напряжением питания, то в последней схеме транзистор сгорит, только по другой причине. Будет превышен максимальный ток база — эмитер.Снимает эту проблему - токоограничивающий резистор.

Значение сопротивления легко считается если принять, что:
-максимальный ток базового перехода равен максимальному току коллектора (0.2А),
-напряжение  на базовой обмотке плюс напряжение питания = 2V,
-напряжение на базовом переходе = 0.6V,
то резистор должен быть не меньше, чем ( 2V – 0,6V ) / 0,2A = 7 Ohms.
То же, только для напряжения питания 2.5V: ( 5V – 0.6V ) / 0.2A = 22 Ohms.

С этой схемой можно начинать экспериментировать, не боясь спалить транзистор.

Трансформатор.

В данной схеме будет работать любой трансформатор, с отношением числа витков от 3:1 до 1:3. Желательно, что бы коллекторная обмотка была намотана более толстым проводом, чем базовая.
Частота, на которой будет работать преобразователь зависит от индуктивности обмоток, КПД от отношения числа витков (для данного напряжения питания). Последнее подбирается (отматываются или доматываются витки) в последнюю очередь.


Но это теория. Что бы убедиться, что это работает, намотаем 2 по 20 витков на аккумуляторе размера ААА (около 10мм). Провод, первый попавшийся под руку, 0,25 и 0,4 мм. 

Индуктивность — 2,8 мкГн на обмотку. Схема та же, транзистор С1815. Токоограничивающий резистор - 22 Ом. Светодиод — белый, с напряжением 2,5V.

На "скорую руку" это выглядит так.

               

Форма импульсов на коллекторе — сверху, на базе — снизу. Так или иначе все это работает, на частоте 0,57 Мгц.
Вывод из осциллограммы только один - схема работает, но плохо. Проверка общего КПД это подтвердила. От 8 до 10%.
Немного лучше дело обстоит, если в трансформатор добавить ферритовый сердечник. Индуктивность возрастает до 13 мкГн, частота - уменьшается до 150 кГц, КПД повышается до 10-12%.

Крутые фронты импульсов говорят о том, что генератор начал работать правильно. А КПД можно поправить.

Как догнать КПД до 50%.

В общем то было бы наивно предполагать, что скрутив вместе катушку, транзистор и светодиод, можно получить что то путное и сразу. Но все не так плохо. Сердце схемы работает, остальное можно добавить.

Прежде всего надо добавить конденсатор по питанию Без него не работает ни одна схема. Емкость — 0.1 микрофарад или больше. Плюс традиционный электролитичесткий конденсатор на 10 мкФ — но это опция. Я ограничился одним конденсатором, 0.47мкФ, с корорым общий КПД поднялся на 5%.

Сопротивление базового резистора R1 прикидывается из очень простых соображений. Транзистор С1815 имеет максимальный ток коллектора — 0.2А и коэфициент усиления на большом токе — не меньше 30. То есть если мы хотим плучть, скажем 0.1А в коллекторе, то базовый ток должен быть в 30 раз меньше, а именно 0.003А. Все что больше, будет бесполезно потеряно на нагрев базово-эмитерного перехода. Если предположить, что напряжение питания 1V, плюс с первичной обмотки, то же 1V, минус 0.8V напряжение база-эмитер, делим на ток 0.003А и получаем, около, 400 Ом. Для разных напряжений питания оптимальное значение резистора будет разным. Если предположить, что батарейка разряжается от 1, 7V до 0.5V, то значение сопротивления резистора R1 должно меняться от 800 Ом до 60 Ом. То есть, подстроечный (переменный) резистор 1 кОм — самое оно. Последнее не исключает наличия защитного резистора 22 Ом!

Схема, с КПД до 40% будет выглядеть как на рисунке (а). Что бы догнать КПД до 50% необходимо добавить единственный конденсатор, как на схеме (b).


Тяжело поверить,  но подбор емкости этого конденсатора (C2) может увеличить КПД на 15%.
Работает это так. Когда транзистор закрывается, конденсатор заряжается через R1,R2 и в момент открытия транзистора разряжается через переход база-эмитер. Это ускоряет работу транзистора и стабилизирует работу при напряжениях питания меньше 0.7V (при этом генератор уже ничего не вырабатывает, но генерация импульсов продолжается до 0.3V). На экране осциллографа напряжение на коллекторе транзистора (c_Q1) и напряжение на соединении конденсатора С2 и резистора R2 (R2_C2), при напряжении питания 1V.




Емкость конденсатора C2 легче подобрать по максимальному КПД схемы. Должно получится 600 - 4700 пФ в зависимости от типа транзистора, конструкции трансформатора … и еще десятка параметров.


Э
ффективность или КПД.

Что бы проверить эффективность преобразователя или КПД, придется собрать небольшую схему и откалибровать ее на постоянном токе. Напряжение на резисторе R3 пропорционально среднему току проходящему через сетодиоды. Если умножить средний ток на падение напряжения на светодиодах (обычно 2,7V) то получим мощность. На самом деле формула сложнее (учитывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении диодов и на нагрузочном резисторе), но это уже для «гурманов».

После калибровки, схема включается вместо светодиода, и измеряется падение напряжения на R3 обычным мультиметром. При сопротивлении R3 = 10 Ом, получим 10mV/mA.


С этого момента можно прогнать блокинг генератор на разных режимах и проверить общий КПД. Меня интересовало влияние базового резистора на общую мощность и КПД. Результат на графиках ниже.



Интересно, что с расчетом резистора (400 Ом), мы были не так далеки от истины. Если судить по графику, то между 500 и 250 Ом начинается падение общего КПД схемы. То есть на открытие транзистора уходит больше тока, чем это действительно необходимо. Выходная мощность растет, но за счет снижения КПД.

Как результат, если используем слишком большой резистор (1кОм), то проигрываем в мощности, если слишком маленький (22 Ом), то не добираем в КПД. В общем, золотое значение где то в середине.

На каждом графике, первая точка соответсвует моменту, когда генератор начинает выдавать полезную мощность. В данном случае это 0,2 мА выходного тока. Таким образом, чем меньше значение базового резистора, тем при более низком напряжении генератор начинает работать. Для 22 Ом это 0,37V, для 1кОм - 0,53V.

И последнее. Смотрим на что влиятет отношение числа витков первичной и вторичной обмоток. *Для каждого трансформатора подбирается значение резисторов R1+R2, что бы максимальный базовый ток был 3mA.




При отношении витков 1:4 (* 40mA) был достигнут максимум КПД. Но это только для примера, что не все можно объяснить "на пальцах".

Как результат , блокинг генератор будет работать с практически любым трансформатором, от 1:4 до 3:1. КПД и другие параметры будут немного отличаться, но схема работать будет.

И все таки, еще немного о трансформаторе.

Зная по опыту, что самая большая "головная боль" именно с трансформаторами, которые нужно изготовить самостоятельно. Тут либо сердечника нет, либо провод не тот, и еще много всякого всего. То есть, вероятность того, что Вам удастся повторить трансформатор описанный в схеме "икс" - приближается к нулю.

С блокинг генератором все сильно упрощается потому, что нужно изготовить любой трансформатор с отншением 1:1. То есть, сложить два провода вместе и намотать на любой сердечник, попавшийся под руку. А можно и без сердечника. Как видно на второй фотографии (2х22 витка на диаметре 10мм.) это то же работает.

Но если хочется сделать все правильно, то нужно знать несколько простых вещей.

Блокинг генератор может работать на любой частоте, но лучше если она будет до 100 кГц. В этом случае могут нормально работать выпрямительные диоды (диоды Шотки) и не так сильно влияет емкость монтажа / длинна соединительных проводов. А частота зависит только от двух вещей: от индуктивности коллекторной обмотки трансформатора и тока через транзистор (коллекторную обмотку).

При индуктивности 15 мкГн (22 витка) и токе 50 mA (R1+R2~=500 Ом) частота будет около 400 кГц (расчет опускаем, тк это проще проверить экспериментально). Так как индуктивность "заряжается" практически постоянным током 50 мА, то что бы привести частоту к 100 кГц необходимо увеличить индуктивность в 4 раза (60 мкГн). О
постоянной времени L / R смотрим здесь.

Нужно знать, что индуктивность катушки трансформатора, как и любой другой индуктивности, прямо пропорциональна квадрату витков. То есть, если Ваша катушка имеет
22 витка и индуктивность 15 мкГн, то если домотать еще 22 витка на тот же сердечник, индуктивность увеличится до 60 мкГн. Не до 30 мкГн, как бы логично это  не казалось, а до 60 мкГн. При 88 витках - 240 мкГн.

Нужно ли иметь измеритель индуктивности? Желательно, но не обязательно. Любой сердечник, извлеченный из компьютерного блока питания, энергосберегающей лампочки или телевизора, имеет цветовую маркировку. А вместе с ней и спецификацию (к примеру как на этой странице) из которой нас будет интересовать только один параметр
для данного сердечника - "Inductance per 100 Turns & Notes". Дальше, зная, что индуктивность пропорциональна квадрату витков, можно изготовить любую катушку или трансформатор с заданной индуктивностью обмотки.

И конечно, остается вопрос, при каком отношении витков схема перестанет работать.

Данный транзистор начинает открываться при напряжении на базе 0,43V (Ic=1мкА), и
полностью открыт при 0,885V (Ic=100мА). Разница ~= 0,5V. Напряжение на выходной обмотке определяется падением напряжения на светодиодах (приблизительно 2,5V). Таким образом, трансформатор с отношением 1:5, вернет достаточно наряжения для того, что бы открыть и закрыть транзистор. При этом, возможно, форма импульсов будет напоминать синусоиду и будут проблемы с запуском на низких напряжениях, но как факт - генератор еще будет работать.

При пересчете на другие напряжения питания и отношения числа витков обмоток трансформатора, желательно, что бы первичная обмотка "возвращала в базу" не меньше 1V.



В заключение.

К сожалению, чуда не получилось. Данный преобразователь, основанный на кремниевом транзисторе, не будет работать на очень низких напряжениях. А мне нужно, что бы он преобразовывал наряжение в диапазоне от 0,2 до 0,6V.

Но на этом жизнь не заканчивается. К счастью есть еще германиевые транзисторы. С ними задача решается легко и просто.


 



12.10.2015  SKootS

_

Make a Free Website with Yola.