1. Идея и кремниевый транзистор.
2. То же, только с германиевым транзистором.Упрощаем и сравниваем.
3. Возвращаемся к кремнию. Работаем над КПД.
4. Полевой транзистор.
5. Стабилизируем выходное напряжение.
6. Полевой транзистор и снова о КПД.
Так или иначе, у меня возникла необходимость преобразовать очень низкое напряжение в что нибудь путное. Предистория заключается в том, что Пельтье элемент и химическая батаея выдают очень низкое напряжение. Ток может быть и сумасшедший, но напряжение около 0,3 Вольт, если повезет. Тут возникла проблемка.
Конечно, можно применить готовое решение от Taxes Instrument или LT. Но кроме того, что это дорого, нужно еше изготовить печатную плату, тк иначе эти микросхемы замонтировать не получится.
С другой стороны, что бы там не было, в середине этих микросхем, работают они на принципах 50-ти летней давности, которые можно повторить самому. Если, конечно, есть время и желание. Для меня, оба последних условия положительны.
Ничего «с нуля» длать не будем. Глянем на данные микросхем от TI. То, что интересует нас, так это то, что TI работает с напряжения 0,3 Вольт. Это мы легко покроем германиевым транзистором, если необходимо. Linear Technology пошла дальше. Ее преобразователь начинает работать с 0,03 Вольт. Сомнения меня гложат о том, какую мощность можно получить от такого низкого напряжения, но все таки.
Остановимся на решении от LT. На рисунке только та часть преобразователя, которая меня интересует.
Для того, что бы начать работу при таком низком напряжении они используют трансформатор 1:100 и полевой транзистор (JFET Transistor (КП103 / КП303 в отечетвенном варианте)). Особенность последних в том, что они начинают проводить ток, даже, при нулевом напряжении на затворе. То есть, если это напряжение увеличивать, то ток будет увеличиваться то же. Если уменьшать, то соответственно. Теоретически, такое решение будет работать при бесконечно малом питающем напряжении. Было бы напряжение, а преобразователь начнет работу сам по себе. На MOSFET транзисторах такое не прокатит, так как для того что бы открыться они тебуют некоторого положительного напряжения на затворе. То есть, пока напряжение на затворе не достигнет определенного значения (обычно, от 1.5 до 3 Вольт), транзистор будет «мертвый».
Но вернемся к схеме. На рисунке обычный релаксационный генератор. Конденсатор С2 возвращает энернию в цепь затвора и обеспечивает генерацию. Конденсатор С1 работает на удвоитель напряжения, котрый заканчивается стабилитроном на 4,3V.
Схема работает проще простого. Когда появляется напряжение Vin, возникает ток через первичную обмотку трансформатора. Для простоты можно представить, что первичная обмотка работает как источник напряжения, где ПЛЮС приложен к началу обмотки с точкой, а МИНУС к концу обмотки. Так как это обычный трансформатор, то на выходной обмотке появляется такой же источник напряжения, только в 100 раз больше (так как трансформатор 1:100). ПЛЮС на точке, МИНУС на конце обмотки. Таким образом, положительное напряжение с начала вторичной обмотки прикладывается к затвору полевого транзистора и еще больше его открывает. Ток нарастает до тех пор, пока трансформатор не войдет в насыщение. В этот момент транформатор теряет свои свойства (1:100) и транзистор лишается дополнительного источника напряжения, который так славно помогал ему открыться. Ток, через первичную обмотку начинает быстро уменьшаться, что приводит к изменению полярности напряжения на вторичной обмотке. А это, в свою очередь, еще скорее закрывает транзистор. Энергия, запасенная в трансформаторе, первращается в отрицательное напряжение, которое заряжает конденсатор С1 (через первый диод). Когда вся энергия израсходована, транзистор начинает открываться и цикл повторяется снова. Положительное напряжение на выходе вторичной обмотки, складывается с напряжением заряженного конденсатора С1 и, через второй диод, проходит на выход преобразователя. Стабилитрон ограничивает выходное напряжение (Vout) на уровне 4,3V.
Это «прямоходовой» преобразователь. Только потому, что напряжение «проталкивается» в нагрузку на прямом ходе транзистора (те когда он открыт).
Теперь, настало время сделать что то подобное. Быстро соберем схему для тестирования в Dip Trace пользуясь здравым смыслом и деталями, которые под рукой.
Там же, в Dip Trace собираем печатную плату, только для того, что бы понять как это можно уместить на универсалку минимальными усилиями. Несколько компонентов убраны, несколько добавлены на будущее.
Заработало, не с первого раза, конечно (пришлось поменять
местами выводы одной обмотки).
Релаксационный генератор, где трансформатор возвращает сигнал в базу транзистора повернутый на 180 градусов отностительно коллектора, не работать не может. Вопрос как он работает, с какого напряжения запускается, при каком сгорает светодиод или транзистор, и так далее. Меня больше интересовал минимальное напряжение, при котором такой преобразователь может работать. Измерить ток потребления и напряжение на преобразователе не составило труда.
Три точки, на уровне 80 mA показывают работу светодиода (еле заметный свет, яркий и когда увеличение напряжения не приводит к заметному изменению яркости).
«Поймать» напряжение при котором генератор начинает работать и при каком прекращает, оказалось не так просто. Дело решилось с помощью осциллографа. Первый канал на коллекторе транзистора, второй на напряжении питания.
Результат оказался совсем не такой как я ожидал. Традиционно считается, что кремниевый транзистор начинает работать, когда напряжение на базе достигает 0,6 – 0,8 Вольт. Это можно легко измерить обычным вольтметром на базе работающего транзистора относительно эмитера. На осциллограмме видно, что транзистор начинает работать с напряжения 0,43 – 0,44 Вольта. Можно было бы предположить ошибку, но график зависимости тока от напряжения показывает то же самое. Еще более интересно, что генерация продолжается до 0,3V (хотя после 0,38V уже не вырабатывается достаточно напряжения для работы светодиода).
Основа трансформаторов, которые я применяю для подобных
преобразователей на фотографии ниже. В оригинальном варианте, с красной точкой - 250/250 втк. 0,2мм, 2,5/2,5mH и с белой - 190/190 втк. 0,2мм, 1,4/1,4mH.
Результат.
Уже сейчас, без никаких переделок, преобразователь будет работать в диапазоне напряжений 0,35 - 0,45 Вольт. В общем то, этого достаточно для моего проекта. Но хотелось бы проверить как работает такой же преобразователь, только на германиевом транзисторе и сравнить результат. Об этом на следующей странице.