Зарядовые насосы: учимся качать электрончики...

Изменено: . Разместил: FadeDemon | Меню
Количество просмотров3`801 / FD664-6-0

Как-то раз, в ходе моих изысканий по построению гаусс-пушки, возникла необходимость собрать несложный преобразователь напряжения 12 → 24 вольт. Вспомнив, что у меня получалось, когда я связывался с индуктивными трансформаторными преобразователями, я решил больше туда не лезть, и случайно так вспомнил про существование замечательной вещи: емкостных (зарядовых) преобразователей, или зарядовых насосов. Вообще, про эту штуку я слышал только краями ушей, а схемы в инете видел только собранные на микросхемах, поэтому знал я только примерный принцип работы: конденсаторы сначала соединяются параллельно, и заряжаются до какого то напряжения, а потом хитро-мудрым образом включаются последовательно, ну и все свое напряжение разряжают в нагрузку. Просто, и понятно. Остается только сообразить, как их так хитро мы будем соединять.


Не долго думая я открыл свой обожаемый Java Circuit Simulator, и начал там что-то ваять, параллельно разгоняя свой моск, чтобы тот выдал что-нибуть интересное. Сначала думал соединить жестко 2 конденсатора и както генерировать на них переменное напряжение, ну типа такой диодно-емкостный умножитель, полумост, но потом почему-то отказался от этой затеи... В моем мозгу родилась схемка примерно такого рода:


Без названия
Рис. №10. Схема номер раз.

Ну я думаю принцип примерно понятен: сначала открываются мосфеты на линии gate 1, заряжая конденсаторы, затем они закрываются, и за ними открывается линия gate 2 (тут подразумевается что это переключение выполняет некоторый тактовый генератор, речь пока не о нем). В итоге в момент наличия напряжения на gate 2, на нагрузке, по идеи, должно получаться 36 вольт (в схеме 30 написано по ошибке). Собираю значит я это дело в симуляторе — и хрен. Ну начнем с того, что на этой схеме я не заметил явного КЗ — линия минуса при включении мосфетов линии 2 тупо шунтирует конденсаторы. Немного поскреб мозг, и поменял мосфеты первой линии местами с конденсаторами, а минусовой вывод разделил: для нагрузки он теперь исходит от минусового вывода нижнего конденсатора, и отделен от общей земли мосфетом:


Без названия
Рис. №12. Схема номер двас.

Как-то вот так. Примерно в таком виде в симуляторе схема после небольшой пляски все-таки заработала. Однако, у нее почемуто была очень смешная выходная мощность — милливатты. Мосфеты линии 2 (назовем их мосфеты разряда) вроде бы открывались, но как-то неохотно. Над этой проблемой я думал довольно долго, однако потом все-же догадался. Если вы заметили, то в схеме везде воткнуты N-MOSFETы. А как они собственно работают? Мы знаем, что у любых мосфетов (МДП-транзисторов по совместительству, или транзисторов Металл-Диэлектрик-Проводник, или Полевых транзисторов с изолированным затвором, и в данном случае, индуцированным каналом) имеется неприлично большое входное сопротивление, единицы ГОм, что является их большим плюсом. Но как же они всетаки открываются? N-MOSFET открывается тогда, когда напряжение между затвором и истоком распределяется таким образом, что на затворе получается плюс, а на истоке — минус, и напряжение это больше напряжения открытия мосфета (у IRLR024N, которые юзались мною в сией схеме, этот параметр например был около 2.5 вольт). На самом деле все это ну пиздец просто как удобно — есть заряд — есть ток сток-исток, нет заряда — нет тока... Малюсенький заряд на затворе, в общем, может управлять огромными токами. Круто.


IRLR024N & IRFR5305 MOSFET's
Рис. №14. IRLR024N & IRFR5305 MOSFET's

Но вернемся в нашу схему, вглядимся внимательнее... Еще внимательнее, еще... И кое-что замечаем. Точно у меня это понять не получилось, но объясню просто: на верхних разрядных мосфетах как-то получилось так, что на истоках у них оказалось несколько больше, чем 12 вольт. Хотя должно быть вообще ноль вольт. Ну и нет ничего удивительного в том, что при приложении к их затворам 12 вольт, они остаются закрытыми, поскольку напряжение на них не то чтобы 2.5 вольта, оно вообще получилось отрицательное... Мда. Когда я это понял, сам долго пытался понять, что именно я понял. В симуляторе эта проблема решилась довольно просто: на затворы я подавал напряжение в 40 вольт. и ЧСХ, все сразу идеально заработало. Но проблема в том, что у нас в реальных условиях будет только 12 вольт, а чтобы получить больше, мы собственно эту схему и делаем.


Впрочем это был не тупик: выпив чашечку чая, мне пришла отличная мысль: заменить разрядные мосфеты с n-типа на мосфеты p-типа. P-мосфеты в отличие от n-мосфетов работают с точностью наоборот: включаются тогда, когда на затворе по отношению к истоку есть отрицательное напряжение. Как я и предполагал, на этот раз схема заработала правильно, с разницей, что теперь к линии gate 2 нужно было прикладывать отрицательное напряжение. Тут кстати сразу родилась мысль: а мы соединим обе линии в одну, и повесим ее... догадайтесь куда? Правильно! На выход операционного усилителя :) Он как раз обладает именно такими свойствами: может на том выходе ставить как минус, так и плюс. Ну а входы ОУ мы вешаем на плечики классического мультивибратора на NPN транзисторах (выводы ОУ вешаем собственно на коллекторы транзисторов, через небольшие резисторы 1-2К), выдающего примерно 600 герц. Такую небольшую частоту я решил взять потому, что диоды серии 1N400X рассчитаны на частоты не более 1 килогерца, а тратить быстродействующие диоды на такую хрень мне совсем не улыбалось.


К544УД1А. Одноканальный операционный усилитель
Рис. №15. К544УД1А. Одноканальный операционный усилитель

Через пару минут, схема была собрана в симуляторе, и отлично работала. Честно говоря, глядя на направления токов в схеме при ее работе, замедленной в 1000 раз, сразу понимаешь, почему такие устройства зовут charge pumps, или зарядовые насосы. Работа схемы на самом деле напоминает работу какого-то экзотического насоса. Настало время, воплощать все это в реальность. Приведу, кстати, промежуточный вариант полученной схемы:


зарядовый насос 1.0
Рис. №11. зарядовый насос 1.0

Итак. Выбираем детальки. В качестве генераторных транзисторов, тоесть тех, что будут в мультивибраторе я решил взять обычные КТ315Б, потому что их у меня несколько килограммов. Конденсаторы нашел на 47нФ и 100нФ, по две штуки, получилось 2 конденсатора примерно по 150нФ. Операционный усилитель получился из мелкой 8ми-ногой микросхемы К544УД1А. N-мосфеты нашел у себя IRLR024N, p-мосфеты — IRFR5035. Конденсаторы Rubycon 24V/470мкФ, на выходе — 40 вольт, и тоже 470 мкФ. В общем-то все выбрано от фонаря, можно было что угодно туда поставить из мосфетов и конденсаторов… Кстати, на схеме еще не указаны стабилитроны, которые я на всякий случай решил воткнуть между гейтами и сорсами мосфетов, ну чтобы какбэ не допустить перенапряжения на затворе, ибо его предельное напряжение не более ±16 вольт по даташитам моих мосфетиков…


Все в сборе. Можно оперировать.
Рис. №16. Все в сборе. Можно оперировать.

Надо здесь сказать, что я сьел собаку, в самом начале зачем-то подумав о мосфетах. Просто с ними казалось несколько проще сборка всей схемы, с обыкновенными биполярными транзисторами у меня в размышлениях возникли проблемы, и я от них в начале отказался, и как выяснилось — зря… За несколько часов, сия схемка была мною собрана на куске утилизированной платы, спаяна, проверена, настал момент истины… И о чудо! Несколько раз поменяв напряжения на затворах мосфетов руками и проводком, мультиметр показал 20 вольт на выходе. Еще несколько переключений, и там уже было 25 вольт. Схема работала. Ну, мне так казалось по крайней мере. Через минуту я прикрутил туда тактовый генератор... И хрен. На частоте 600 герц ничего не работало. Я приуныл. Однако, изменение напряжения руками, но уже не на линиях 1 и 2, а на входах ОУ, тоже приводило к работе схемы, тоесть накачке напряжения в выходной кондкенсатор… Я запутался. Я взял плату рукой, хотел ее повертеть, и… БЛЯДЬ! Только и успел я сказать — мосфеты на ней нагрелись как паяльник и жестко обожгли мне половину пальцев. В недоумении я секунд 5 потупил, а потом выдернул питание. Подключил амперметр. Тишина. Потребление 20мА, в пределах прожорливости мультивибратора. Снова трогаю входы ОУ. Заметны скачки напряжения, вроде все верно... И вдруг, когда на выходе должно быть уже вольт 30, скачки тока начали составлять 1, 2 ампера, и внезапно скачки прекратились, как бы я не лапал ОУ, схема жрала невероятных 5 ампер!!! Остается только удивляться, как мой блок питания не подумал что это КЗ, хотя КЗ для него, это видимо несколько бОльший ток… Ладно. Еще немного поэкспериментировав, произошли 2 вещи: вылетел один IRLR024N, и я понял, что дело не в неправильном соединении мосфетов.


Вспомнив причину, по которой я заменил n-мосфеты на p-мосфеты, я представил себе работу схемы еще раз… И меня опять озарило: похоже что когда ОУ выставлял 12 вольт на выходе, а напряжение в схеме достигало 20-25 вольт, разрядные мосфеты выключались не сразу. Чтобы понять почему, вспомним про разницу потенциалов, которая не давала работать n-мосфетам. Допустим, напряжение на истоке первого мосфета снизу — 12 вольт. У второго соотвественно будет 24 вольта. У третьего — 36. Это в момент, когда они все открыты, естественно. И тут мы их закрываем. Тоесть, выставляем 12 вольт на линии. При нуле вольт, там было все замечательно: у первого мосфета разница потенциалов 12 вольт, у второго — 24, у третьего — 36. Разница, естественно, между истоком и затвором. Ну а при двенадцати вольт, что измениться? Посмотрим. У первого — на истоке 12 вольт, на затворе — 12. Вроде бы ноль, он должен закрыться. Но в этот  же момент смотрим выше — там 24 вольта был потенциал. А на затворе — 12 вольт. Потенциал — -12 вольт, тоесть, нихуя он не закроется! То же самое у третьего. Но, это только если не закроется первые. А он таки закрывается, как мы выяснили…


В целом, мысль вроде правильная. Почему же не происходит рассоединение конденсаторов и не спадает потенциал — я решил не ломать голову. Скорее всего, гдето там между выходом и последним мосфетом оставался некоторый потенциал, который и не давал закрыться некоторым из мосфетов, а если еще вспомнить, что у мосфетов там встроенный диод, из-за которого при включении его наоборот, он проводит ток как в открытом, так и в закрытом состоянии… В общем эта тема вынесла мне моск капитально. Вы кстати уже могли догадаться, почему это такая проблема: при хотябы одном незакрытом разрядном мосфете, включение зарядной линии приводит к короткому замыканию, тепло которого и ощутили мои пальчики.


Дальнейшие размышления заставили меня отказаться от мосфетов с их сверхчувствительностью. Они конечно хороши, но иногда при задумке подобных схем с ними, от них становится больше проблем чем пользы, и к тому же они чувствительны к электромагнитным помехам, к которыми, кстати, схема должна была быть устойчива. Разрядные мосфеты были заменены на старые добрые КТ814В :) Схема управления шинами была немного изменена, нижний уровень ОУ теперь не использовался, линия зарядная была подключена к + через резистор постоянно (надо заметить что там я решил оставить мосфеты), и выходила к коллектору еще одного нового транзистора (КТ961А), эмиттер которого был подключен к земле. К его же коллектору, через резисторы на 1К и диоды были подключены и все базы КТ814. База же КТ961 была подключена к выходу ОУ, но только через импровизированный стабилитрон из желтого светодиода, поскольку ОУ был каким-то странным: на нижнем уровне он выдавал 1.3 вольта, вместо нуля положенных. Компаратор К521СА301А в этом отношении был намного приличнее. Ну, хорошо что светодиоды имеют неплохое падение напряжение около 1.7 вольт, и их вообще удобно втыкать в качестве стабилитронов (коих у меня кот наплакал), ну и к тому же они вносят разнообразие в схему небольшим свечением при работе :) Вот, кстати, что у нас получилось:


Зарядовый насос. Бета-версия.
Рис. №39. Зарядовый насос. Бета-версия.

Для меня было чудом, но ЭТО заработало с первого раза. Правда надо сказать что ток потребления был около 100 мА в покое (20 мА — генератор частоты, и остальное — токи баз КТ814 из-за слишком маленьких резисторов на 1К, при 30 вольтах — до 30 мА). Моментом истины было подключение ко входу 24-вольтовой лампы на 5 ватт — она светилась ярко, гораздо ярче чем от 12 вольт! Мультиметр сказал, что при подключении лампы на входе было 21.4 вольта, при холостом же ходе — почти 34V. Выдаваемая мощность таким образом была как раз около 5 ватт, чуть меньше. Большего нам, впрочем, было и не надо. Мощность можно было увеличить, поставив конденсаторы поёмче, да приложив немного расчетов. Но для работы механизма (а именно — электромагнитов здоровенного реле — хватало вполне). Вот как выглядело устройство на разных стадиях сборки:


Charge pump v1.5
Рис. №18. Вот что получилось...

Тут надо еще сказать, что на схеме видны еще кое-какие части, но о них я расскажу чуть позже. Вообще говоря, они предназначены для того, чтобы на нагрузку подавалась энергия с заряженного конденсатора (полноценный такой драйвер питания электромагнита), а не с разряженного, тоесть не сразу, а с небольшой задержкой...


Светодиоды обыкновеные. ⌀ 3мм
Рис. №17. Светодиоды обыкновеные. ⌀ 3мм
QR-код
Категория: Схемы
Интересное
Выводим формулу пересечения векторов Изобразим двумерную декартову систему координат. На ней изобразим 4 произвольные точки, и соединим их так, чтобы проведённые линии пересеклись в некоторой точке. Вопрос: каким образом мы можем найти координаты этой точки пересечения?

Читать »»
Случайные фото