Повышающий преобразователь напряжения.

 

Дана схема и конструкция повышающего преобразователя, поднимающего напряжение от нескольких батареек до заданного. Особенностью конструкции является исполнение платы в виде вставляемого вместо одного из аккумуляторов, блока.

Потребность в создании это устройство возникла у автора после нескольких полетов мини модели вертолета. Эта модель управляется ручным передатчиком с питанием от шести батареек AA, который также служит для заряда LiPo аккумулятора самого вертолета между его полетами.

Из-за энергетической прожорливости вертолета, даже щелочные батарейки умирали очень быстро. Замена щелочных батареек NiMH аккумуляторами принесла новые проблемы: напряжение аккумулятора около 1.4 В, но только сразу после зарядки, и быстро снижается до 1.2 В.

Суммарного напряжения аккумуляторов оказалось мало для подзарядки аккумулятора вертолета. Появилась идея сделать повышающий преобразователь по размеру в один элемент АА, установить его вместо одного аккумулятора и получить от пяти аккумуляторов напряжение, эквивалентное шести щелочным батарейкам.

Более того, автор решил сделать этот модуль универсальным, чтобы он мог устанавливаться в любой батарейный отсек, независимо от числа элементов в нем. Батарейки (количеством n) в нем будут заменены на n-1 перезаряжаемых аккумуляторов (одну ячейку займет преобразователь). И такой батарейный отсек даст напряжение, равное n-му количеству батареек.

Данное устройство можно использовать для модернизации батарейных отсеков с количеством ячеек от 4 до 10. При этом понадобится от 3 до 9 перезаряжаемых аккумуляторов. Если использовать электролитические конденсаторы на 35 В, можно повысить это количество до 20. В схеме может использоваться практически любая микросхема импульсного преобразователя.

Выход по току используемой микросхемы LT1172 составляет около 500 мА, но заменой микросхемы на LT1170 он может быть увеличен до 2 А. На Рис.1 показан батарейный отсек на четыре ячейки. В одной из ячеек установлена макетная печатная плата, на которой собрана схема устройства. Аккумуляторы должны быть установлены в ячейки, начиная от отрицательного выходного контакта, а на положительном контакте устанавливается плата преобразователя (см. Рис.2).

Рис.1. Преобразователь установлен вместо одного аккумулятора и повышает выходное напряжение до уровня суммарного напр2яжения четырех щелочных батареек (4×1.5 В=6 В).

Рис.2. Принцип работы устройства.

Рис.3. Принципиальная схема.

Преобразователь вырабатывает напряжение UBoost, которое суммируясь с входным UIN дает выходное напряжение UOUT. В таблице (см. ниже) показано, насколько необходимо повысить напряжение в зависимости от числа элементов питания. Максимальное количество элементов ограничено номинальным напряжением электролитических конденсаторов. Микросхема LT1172 может функционировать до 36 В, но для экономии места установлены электролитические конденсаторы на 16 В, которые ограничивают выходное напряжение уровнем в 13.5 В (8 аккумуляторов взамен 9 щелочных батареек).

Формула для вычисления значения напряжения UBoost:

UBoost = 2.4 В + (0.3 В × (n – 3)),

где n = от 4 до 10 аккумуляторов.

Или:

UBoost = 2.4 В + (UIN – 3.6 В) × 0.3 / 1.2 В.

Выходное напряжение определяется по формуле:

UOUT = UIN + UBoost.

Контроллер LT1172 работает в этой конструкции, как классический повышающий преобразователь. Но есть и отличия. В типовой схеме включения на выходе применяется резистивный делитель для регулирования напряжения UOUT через обратную связь на вход FB. Здесь же выходное напряжение зависит от UBoost (см. рисунок 2). Транзистор Т1 вместе с резистором R1 образуют генератор тока, пропорционального разности напряжений (UBoost – 0.7 В) / R1. Пока напряжение на эмиттере T1 ниже напряжения пробоя стабилитрона D3, весь ток будет течь через резистор R2 на землю. Падение напряжения на резисторе R2 сравнивается с напряжением 1.24 В внутреннего опорного источника микросхемы LT1172. Если R2 = 1.24 кОм, через R1, T1 и R2 будет течь ток 1 мА, и схема будет в равновесии.

На резисторе R1 этот ток создает падение напряжения 1.69 В, которое в сумме с напряжением 0.7 В перехода база-эмиттер транзистора дает UBoost, равное 2.4 В. Именно такое повышающее напряжение необходимо для замены четырех батареек тремя аккумуляторами (см. таблицу).

При увеличении количества ячеек значение UBoost должно быть увеличено на 0.3 В для каждой дополнительной ячейки. Это достигается благодаря стабилитрону D3 и резистору R4. Когда напряжение на эмиттере транзистора Т1 больше 4.3 В (сумма UIN и напряжения база-эмитер транзистора), стабилитрон D3 пробивается и от источника тока через D3 и R4 отводится некоторая его доля. Значение резистора R4 может быть рассчитано таким образом, что на каждый дополнительный элемент питания с увеличением UIN на 1.2 В, UBoost увеличивается на 0.3 В или на 25% (0.3 В /1.2 В × 100). Напомним, что напряжение UBoost равно UR1 + 0.7 В. То есть при расчетах учитывается сопротивление резистора R1 в 1.69 кОм.

Итак, формула для расчета R4:

n × 0.3 В / 1.69 кОм = n × 1.2 В / R4

n сокращаем, тогда:

R4 = 1.2 В / 0.3 В × 1.69 кОм = 6.8 кОм

Итак, R4 = 6.8 кОм и стабилитрон D3 на напряжение 4.3 В.

В связи с тем, что стабилитрон на 4.3 В отсутствовал в библиотеке элементов схемного эмулятора, при моделировании и макетировании схемы были использованы стабилитрон на 4.7 В и резистор R4 номиналом 6.2 кОм.

В заключение надо сказать, что повышающая схема может быть отключена с помощью выключателя, установленного на «земляном» проводе.