Простые преобразователи напряжения для светодиодов и микроконтроллеров.
Ниже, 5 схем генераторов, которые будут работать. Точнее, они прекрасно работают на моем столе. Но с условиями.
а) Генератор, с трансформаторной обратной связью, больше известен как Джоуль Тифт. Работает с любым трансформатором, 1:100 или 100:1, если правильная фазировка обмоток трансформатора.
в) Теоретически работать не должна. Но так как есть емкостная связь между катушками трансформатора, то работает, хоть и плохо. Практического значения не имеет.
с1 и с2) Это две одинаковые схемы, нарисованные по разному. Будет работать так же как и схема (а). Единственное отличие, требует трансформатора, где в базовой обмотке больше витков, чем в коллекторной. То есть коэф. трансформации больше, чем 1:1.
д) Схема работает, но требует генератора тока, который ее питает.
Таким образом остается базовая схема (а), тк (в) работает условно, (с) требует трансформатора с лишними витками в базовой обмотке, а (д) - капризная и не развивает достаточно напряжения на выходе.
Остановимся на схеме (а) и посмотрим как это работает.
По мере повышения напряжения питания, транзистор переходит в режим усиления. Скажем, это происходит при напряжении 0,6 Вольт. Транзистор открывается и на коллекторной обмотке появляется падение напряжения, где плюс на выводе с точкой. На базовой обмотке появляется такое же наряжение (если трансформатор 1:1), с плюсом на выводе с точкой. Это наряжение, приложенное между плюсом питания и базой еще больше открывает транзистор. Когда сердечник трансформатора насытился, базовый ток прекращается и транзистор закрывается.
Но это очень примитивное объяснение, которое нужно расширить. Взято от сюда, тк понравилось. И если не сохранилось в и-нете, то копия здесь, в зип файле, но без схем.
Трансформатор - это две катушки на одном сердечнике, через которые протекает общий магнитный поток. При этом напряжение на катушках зависит только от изменения магнитного потока в сердечнике, а полярность - от направления этого изменения. Иными словами, если через первичную обмотку будет течь постоянный ток, скажем, 1 Ампер, то вторичная обмотка не сможет об этом узнать, поскольку магнитный поток в сердечнике есть, но он не меняется. Теперь можно перейти к нашему генератору, по схеме (а).
Предположим, что транзистор, как по волшебству, полностью открылся, и через коллекторную обмотку трансформатора начал течь ток. Вполне определенный надо сказать, если верить школьному учебнику физики. Вычисляется по формуле Ic = ( Vin / L ) * t , где Ic - ток через катушку, или ток коллектора транзистора, Vin - напряжение на катушке, L - ее индуктивность (коллекторной обмотки в данном случае), t - время. Важно, что ток увеличивается от нуля и линейно.
Дальше может произойти одно из трех событий:
- либо ток коллектора достигнет максимума Ic = Ib * h21e , где Ib - ток базы транзистора, h21e - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, известный как "бета" ;
Предположим, что транзистор, как по волшебству, полностью открылся, и через коллекторную обмотку трансформатора начал течь ток. Вполне определенный надо сказать, если верить школьному учебнику физики. Вычисляется по формуле Ic = ( Vin / L ) * t , где Ic - ток через катушку, или ток коллектора транзистора, Vin - напряжение на катушке, L - ее индуктивность (коллекторной обмотки в данном случае), t - время. Важно, что ток увеличивается от нуля и линейно.
Дальше может произойти одно из трех событий:
- либо ток коллектора достигнет максимума Ic = Ib * h21e , где Ib - ток базы транзистора, h21e - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, известный как "бета" ;
- либо Вы выставили ограничение по току на блоке питания, скажем 10 мА ;
- либо сердечник трансформатора войдет в насыщение.
В любом случае нарастание магнитного потока в сердечнике прекратится, и так как его нет, то и напряжения на базовой обмотке нет. Базовый ток падает, соответственно коллекторный, и транзистор лавинообразно закрывается, благодаря положительной обратной связи.
Теперь магнитный поток в сердечнике уменьшается, что приводит к изменению направления тока в катушках трансформатора. Это интересный момент, потому что на момент отключения транзистора в трансформаторе была запасена энергия E = ( L * Imax * Imax ) / 2 , где E - энергия в джоулях, сохраненная в трансформаторе, L - индуктивность коллекторной обмотки, Imax - конечный ток через ту же обмотку. Именно эту энергию преобразователь передает в нагрузку на каждом цикле. А энергия E = Vload * Iload * t , где напряжение и ток в нагрузке умножаются на время. Остановимся на этом.
В любом случае нарастание магнитного потока в сердечнике прекратится, и так как его нет, то и напряжения на базовой обмотке нет. Базовый ток падает, соответственно коллекторный, и транзистор лавинообразно закрывается, благодаря положительной обратной связи.
Теперь магнитный поток в сердечнике уменьшается, что приводит к изменению направления тока в катушках трансформатора. Это интересный момент, потому что на момент отключения транзистора в трансформаторе была запасена энергия E = ( L * Imax * Imax ) / 2 , где E - энергия в джоулях, сохраненная в трансформаторе, L - индуктивность коллекторной обмотки, Imax - конечный ток через ту же обмотку. Именно эту энергию преобразователь передает в нагрузку на каждом цикле. А энергия E = Vload * Iload * t , где напряжение и ток в нагрузке умножаются на время. Остановимся на этом.
Здесь только одна проблема. В момент, когда транзистор закрылся, вся энергия запасенная в трансформаторе превращается в импульс положительного напряжения на коллекторе, которое может вырасти до киловольт. Естественно, что транзистор будет "убит" этим напряжением "тут же". Что бы не наступать на эти "грабли" снова и снова, напряжение на коллекторе необходимо ограничить стабилитроном или светодиодом, что одно и то же. Вариантов есть, надо выбрать то, что подходит.
В схеме (а) светодиод ограничивает напряжение на коллекторе (зеленый до ~1,6V, белый до ~2,5V) точно так же, как стабилитрон в схеме (b). В (с) через диод заряжается конденсатор С1 и разряжается через резистор R1. Без диода D1 последняя схема не запустится, а без резистора напряжение на конденсаторе будет повышаться пока последний не выйдет из строя.
В теории все хорошо, но надо попробовать. В центре транзистор 2N2222, а трансформатор из входного фильтра импульсного блока питания, аккуратно 1:1, индуктивность обмоток - 9 mH.
Если зацепиться скопом на коллектор и базу транзистора, то это выглядит приблизительно так.
На скопе, два значка слева по вертикали - 0V для каждого канала. Строка снизу - напряжение на вертикальную клетку для каждого канала (1V/dev и 1V/dev). Дальше развертка, 250 микроСек. на клетку, по горизонтали и параметры триггера синхронизации (по возрастанию сигнала, на уровне 1,34V). Справа, вверху, только частота. Ее можно посчитать по клеточкам, но так удобнее.
Теперь можно и на самоу осциллограмму посмотреть. Что интересует меня:
1. Импульсы на базе и коллетроре абсолютно эдентичны, только направлены в разные стороны. Это не удивительно, тк трансформатор 1:1.
2. Напряжение на коллекторе ограничивается светодиодом на уровне 2,6-2,8 Вольт, что так же предсказуемо.
3. На открытом транзисторе, все равно остается напряжение, около 0,2 Вольт (линия между нижней частью импульсов на верхней осциллограмме и линией точек, которые символизируют 0 Вольт).
4. Напряжение на базе транзистора поднимается до ~ 0,9 Вольта и падает до минус 1,5 Вольта.
Из всего, озадачивает только (4), где напряжение на базе 0,9V в момент когда транзистор открыт. Обычно это 0,6+0,8V. Можно предположить, что в базу уходит значительно больше тока, чем это необходимо для работы транзистора и о хорошем КПД, именно этой схемы, можно только мечтать. Но проще это проверить. Схема вырисовывается приблизительно такой,
- где переменным резистором необходимо удерживать выходное напряжение ниже порога зажигания светодиода или около 2 Вольт. Выходной ток можно не мерять, если Вы знаете сопротивление нагрузочного резистора VR1. Входное напряжение лучше мерять мультиметром на конденсаторе С1, что исключит падение напряжения на проводах идущих от блока питания.
После обработки данных должен получиться подобный график:
Неудовлетворительный результат заключаестя в следующем. КПД не превышает 35%, и то, в узком диапазоне напряжений питания (0,35 до 0,4 Вольта). С другой стороны, после 0,4 В, ток взлетает как ракета, а КПД резко падает.
Что бы "не тянуть кота за рога", проблема лишнего тока и низкого КПД решается обычным резистором в цепи базы транзистора. И чем он больше, тем меньше тока расходуется на открывание транзистора и выше КПД такого преобразователя.
.
Если базовый резистор, скажем, 50 Ом, то общая картинка по КПД выглядит значительно веселее.
Вопрос остается, как подобрать "правильный" базовый резистор. Его номинал, будет зависеть от коэф. усиления транзистора и напряжения питания. Дальше идут компромиссы, например для случая, когда преобразователь должен работать в определенном диапазоне напряжений, скажем от 1 до 1,5 Вольт. С другой стороны, чем меньше этот резистор, тем больше ток коллектора и больше мощности (тока) преобразователь сможет "переработать". Последнее в ущерб КПД, но во многих случаях этим можно пожертвовать.
Опять же, что бы "не тянуть кота ...", задача (подбора базового резистора) легко решается если временно включить дополнительный резистор в цепь эмиттера (обычно 0,1 - 1,0 Ом) и посмотреть форму сигнала на нем. Единственное ограничение, падение напряжения, на этом резисторе, не должно превышать 1/10 напряжения питания при максимальном рабочем токе (и чем меньше, тем лучше). После настройки, резистор "R test" заменяется перемычкой.
Оптимизация по падению напряжения на эмиттерном резисторе основана на простом факте, что если подключить индуктивность к источнику постоянного напряжения, то ток будет нарастать линейно. Скачек, перед линейным нарастанием, на осциллограммах Е-1 и Е-2, вызван лишним током базы транзистора, который легко убирается настройкой резистора VRb.
Лирическое отступление. Если Вы поняли, что подбор "базового резистора" "не вариант", то его проще заменить на транзистор, и не мучаться в будущем. Как это сделать (но нужен еще один PNP) транзюк описано здесь. Но "жадность", это наше "всё", поэтому продолжим : )
На оссцилограммах:
- зеленый - напряжение на коллекторе транзистора,
- красный - напряжение на эмиттерном резисторе 1 Ом.
Измерение выходной мощности задача не тривиальная, тк большинство мультиметров не "заточены" под измерение импульсного напряжения. Эта задача решается следующим образом.
Здесь мы измеряем постоянное напряжение на резисторе Ri, которое усредняется конденсатором С2. При сопротивлении Ri = 1 Ом, выходное напряжение, аккуратно, 1 mV на 1 mA.
Интересно, что напряжение на светодиоде функция нелинейная, как и для всех полупроводников.Следующий график (для красного светодиода) только для подтверждения этого.
Но, если перемножить падение напряжения на светодиоде и нагрузочном резисторе на ток, то общая фунция "напряжение на резисторе Ri - мощность" получается практически линейная и очень удобная для работы. Калибруется от блока питания, на постоянном токе.
Ниже, калибровочные графики (напряжение на резиторе 1 Ом (mV) - мощность (mW)), для нагрузки (с красными светодиодами), которую использую я.
Выглядит, такая "нагрузка", не очень гуманно, но тем не менее прекрасно работает.
Теперь Вы можете настроить свой преобразователь на максимальный КПД, и сделать это профессионально.
Но, есть еще одна вещь, о которой хотелось бы рассказать. Это обратное напряжение база-эмиттер, о котором вспоминают, когда транзисторы начинают гореть, без видимой причины.
Идея в том, что переход база-эмиттер NPN транзистора ведет себя как обычный диод если на базу подавать положительное напряжение, и как стабилитрон (на 7-10V для 2N2222, 2N3904), если приложить отрицательное напряжение относительно эмиттера. Именно это ограничивает выходное напряжение следующего преобразователя до 9 Вольт или около того.
Это проще посмотреть на скопе (верхняя - на коллекторе транзистора, нижняя - на базе). С нагрузкой R1 = 20 кОм это выглядит так:
Все, как обычно, предсказуемо. Базовый переход транзистора ограничивает напряжение на первичной обмотке (нижняя осциллограмма) и на вторичной (верхняя), соответственно. В результате выходное напряжение, на резисторе R1 около 9-ти Вольт.
Менее предсказуемая ситуация возникает если увеличить сопротивление нагрузочного резистора, скажем, до 1 МОм. На скопе 10V/dev.
Здесь, базовый переход продолжает исправно работать как стабилитрон. Но в момент, когда транзистор закрылся, возникает резонансный процесс с амплитудой около 20-ти вольт. Если подождать, то по мере заряда выходного конденсатора С1, амплитуда увеличивается и может это делать до тех пор, пока транзистор или конденсатор "не выдержат". Кстати, с мультиметром в качестве нагрузки (входное сопротивление 10МОм), напряжение на С1 достигает 40 Вольт через минуту, при питании 1V / 10mA.
Следующие две схемы, не будут работать (или будут, но с очень ограниченным КПД из-за наличия Vebo).
В первой, проблемой являются 4-ре светодиода в нагузке, во второй - трансформатор 4:1.
Проблемы устраняются, если немного доработать схемы. В первой добавляется еще одна обмотка трансформатора и напряжение на коллекторной обмотке (и соответственно на базовой) уже не превышает 10 / 4 = 2,5V. Во второй, светодиод переносится в базовую обмотку и ограничивает базовое напряжение, до тех же, - 2,5V (плюс напряжение питания, конечно).
Интересно выяснить, с какого напряжения запускаются подобные преобразователи. Существует мнение, что это зависит от отношения числа витков обмоток, базовой и коллекторной. Проверяем.
На графике напряжение с которого преобразователь запускается, полностью выключаестя, и момент, когда он "генерит" достаточно энергии, что бы загорелся белый светодиод (или, если проще, начинает вырабатывать полезную мощность в нагрузке). Слева - напряжение питания в Вольтах, по горизонтали "коэф. трансформации", при чем, если в базовой обмотке 5 витков, а в коллекторной 10, то это "0,5".
Напряжение начала генерации измерялось "пиковым вольтметром", что бы исключить падение напряжения на проводах в момент, когда генератор "запустился". Важно, что наличие помех и наводок может запустить преобразователь раньше, но я бы, на это, не рассчитывал : )
Результат такой. Вне зависимости от отношения витков, генератор на одном кремниевом транзисторе запускаестя от 0,6V. Аномалии в виде трансформатора 1:40, где это происходит при более высоком напряжении - не считаем. Это отличается от того, что написано в книжках, но имеем - что имеем (данные измерений и графики в файле эксела).
Здесь я опускаю, что для измрений был изготовлен специальный блок питания, который может поднимать напряжение по милливольтам и выдать ток 10А при любом выходном напряжении. Было сделано по двум причинам. Первая, иммитировать элементы Пельтье (которые дают очень маленькое напряжение при большом токе), вторая - искать короткое замыкание в компьютерных платах, где напряжение должно быть меньше полу-вольта, а ток такой большой, как возможно. И для простых преобразователей, конечно, очень полезная штука : )
Но вернемся к "нашим баранам". Преобразователь запускается от 0,6 Вольта и этому есть логическое объяснение. Дело в том, что для того, что бы перевести транзистор в режим усиления, надо обеспечить ток базы, который "породит" ток коллектора. А что бы был ток базы, напряжение на базово-эммитерном переходе должно привысить "злополучные" 0,6 Вольта для простых транзюков на кремнии.
Не стандартная схема включения кремниевого танзистора (отдельно взятого 2N2222) это подтверждает, особенно, если есть возможность понимать напряжение по милливольтам.
То есть, запустить генератор на этом 2N2222, при напряжении меньше 0,59 Вольта не представляется возможным.
Ну, и если есть возможность, то было бы глупо не проверить транзисторы (по схеме выше), которые есть в наличии, по той же самой методике. Это нескорректированная дата, которая просто отражена в графиках. По горизонтали напряжение в Вольтах, по вертикали ток, в микроАмперах.
Каждый делает выводы сам, но для меня важно (судя по графикам), что все транзюки делятся на три категории: германиевые низкочастотные (типа МП26) с самым низким напряжением, потом те же германиевые, только высокочастотные (ГТ313 и тд), и кремниевые.
Надо добавить, что данные, на последнем графике, не являются абслолютными (тем более, что они сильно завият от температуры). Просто нет времени делать измерения с "академической" точностью. Но они показывают тенденцию, которая "имеет место быть", по транзисторам, которые нашлись в моих "запасах".
Теперь, меня интересует обратная задача. Взять определенный транзистор, измерить параметры базово-эммитерного перехода и проверить, с какого напряжения он будет "запустаться" в подобном генераторе. То есть все то же самое, только наоборот на следующей странице.