6934 subscribers

DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.

3,2k full reads

В наше время никого не удивить импульсными блоками питания различных сортов и мастей. Их широкое распространение стало возможным благодаря развитию технологии производства полупроводниковых приборов и микросхем.

А ведь всего несколько лет назад импульсные источники питания и даже импульсные стабилизаторы были сложными и громоздкими. И не всегда надежными. А ведь импульсные преобразователи напряжения изготавливали и очень давно, причем даже до появления радиоламп.

В таких преобразователях могло вообще не быть ни одного электронного компонента, чистая электротехника. И немного механики.

Идея написать эту статью пришла после небольшой дискуссии в комментариях к статьям "Миниатюрный сетевой маломощный БП. Как это было раньше" и "Миниатюрный сетевой маломощный БП. Продолжение истории и рассеивание предубеждений и сомнений" о том, что цивилизация сегодня слишком завязана на полупроводниках. И вспомнил о просьбе, в комментариях к одной из статей, рассказать немного о импульсных блоках питания.

В сегодняшней статье не будет формул. Это такой небольшой экскурс в историю. Какой либо практической пользы для дня сегодняшнего она не предполагает.

С чего все начиналось

Исследования электромагнетизма активно проводились в 19 веке многими учеными. Из наиболее известных многим, Фарадей, Ампер, Эрстед, Ленц. Их усилиями были сформулированы основные законы, обнаружены и объяснены многие физические явления.

Все это легло в основу промышленного применения электричества - генераторы (их тогда чаще называли динамомашины), двигатели (коллекторные, постоянного тока), электромагниты, реле. В этом списке нам интересны именно реле.

Кроме того, было обнаружено явление образования электрической искры между контактами выключателя при резком разрыве цепи с катушкой индуктивности. Это было объяснено явлением самоиндукции и энергией накапливаемой магнитным полем катушки. Это тоже нам сегодня будет интересным.

Кроме того, нам понадобится явление взаимоиндукции, которое лежит в основе работы трансформаторов.

Как видите, пока это все только физика и электротехника. Ни о какой электронике нет и речи.

Две схемы включения электромагнитных реле

Как хорошо известно, реле состоит и катушки (электромагнита, если быть точнее) и одной или нескольких контактных групп, в которых один из контактов подвижный и связан с якорем электромагнита. И эти контакты можно использовать, в том числе, для последовательного включения с обмоткой реле.

Если мы используем нормально разомкнутые контакты (замыкаются при срабатывании реле) то получим электромеханический аналог RS триггера.

DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.
DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.

При кратковременном нажатии кнопки S реле срабатывает и своими контактами замыкает контакты кнопки. Поэтому отпускание кнопки не влияет на состояние реле, оно остается включенным. Нажатие кнопки R размыкает цепь питания обмотки и реле отпускает. Такое включение реле может использоваться, например, для включения и выключения станка. Только кнопки будут называться "ВКЛ" и "ВЫКЛ". Это классическая схема. но сегодня нас будет интересовать не она.

DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.
DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.

В данном случае обмотка реле включена через нормально замкнутые (размыкаются при срабатывании) контакты. При подключении источника питания Е через контакты реле и обмотку начинает протекать ток, что вызывает срабатывание реле. Однако, это приводит к размыканию контактов и отпусканию реле. Далее процесс повторяется. Якорь реле колеблется вблизи положения в котором контакты соприкасаются.

Ток цепи становится пульсирующим, а частота колебаний определяется, большей частью, механическими параметрами реле. Но в любом случае, это частота будет довольно высокой (сотни герц). Пульсирующим будет и напряжение на обмотке. Причем амплитуда пульсаций будет заметно больше напряжения источника питания из-за ЭДС самоиндукции.

У такой схемы есть два основных применения. Первое - источник высоковольтных импульсов. Такое применение можно увидеть в классической батарейной системе зажигания, только там контакты замыкаются и размыкаются механически. Другим примером может являться катушка Теслы. Только там поверх обмотки реле нужно намотать дополнительную повышающую обмотку. Такое применение уже гораздо ближе к нашей сегодняшней теме.

Второе - зуммер. Да, тот самый дребезжащий зуммер. Или автомобильный клаксон. Достаточно связать якорь реле и мембрану. Но зуммеры нас сегодня не будут интересовать.

Реле как преобразователь

Взгляните еще раз на последнюю схему. Разве она не похожа на электромеханический аналог блокинг-генератора? Только вместо связи через магнитное поле в сердечнике здесь механическая связь через якорь реле. А блокинг-генератор является основой простых импульсных блоков питания

DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.
DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.

Замените транзистор на обмотку реле с последовательно включенными нормально замкнутыми контактами. Обмотка III и все элементы базовой цепи транзистора будут не нужны. Более того, можно обмотку II намотать прямо поверх обмотки реле и мы получим электромеханический импульсный блок питания.

DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.
DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.

Похоже, не правда ли? Конечно, рабочая частота будет низкой. Как и надежность.

От реле к вибропреобразователю

Использовать электромагнитное реле в качестве DC-DC преобразователя конечно можно. Теоретически. Но вот с практической стороны возникает несколько неприятных моментов. И требования к стойкости контактов реле не самые неприятные из них.

Основная проблема в том, что частота колебаний контактов реле будет не просто относительно высокой, но и не стабильной. И надежного замыкания-размыкания контактов не будет. Будет некий дребезг, от которого пользы не много.

Улучшить ситуацию можно несколькими способами. Например, можно параллельно обмотке реле подключить конденсатор достаточной емкости. При размыкании контактов обмотка реле будет некоторое время питаться от конденсатора, что превратит дребезг контактов в четкие срабатывания.

Такой способ позволяет задавать время разомкнутого состояния контактов реле не его механическими параметрами, а емкостью конденсатора и сопротивлением обмотки реле. Но вот время замкнутого состояния, когда ток через обмотку течет ток источника питания, будет все равно малым.

Значит, нужно найти способ как то по иному задавать частоту замыкания/размыкания контактов. Причем желательно сделать время замкнутого и разомкнутого состояния контактов примерно равными. И такой способ был найдет. Причем это чисто механический способ - частота свободных колебаний механической системы. По сути, маятник.

Устройство вибропреобразователя. Пружины не показаны. Иллюстрация моя
Устройство вибропреобразователя. Пружины не показаны. Иллюстрация моя

Схема включения не изменяется. Обмотка по прежнему включается последовательно с нормально замкнутыми контактами. Когда через обмотку начинает протекать ток, подвижный контакт притягивается магнитным полем сердечника и цепь питания обмотки размыкается. Но подвижный контакт не возвращается на место, так груз расположенный в его верхней части обладает некоторой кинетической энергией, что позволяет ему продолжать движение мимо сердечника теперь обесточенной катушки и дойти до второго неподвижного контакта (или упора). После этого подвижный контакт возвращается в исходное положение под действием пружины, которая на иллюстрации не показана.

То есть, подвижный контакт с грузом на конце фактически является подобием маятника, который и определяет период колебаний. Неподвижные контакты зачастую выполняли немного гибкими, что позволяло увеличить время их замкнутого состояния.

Реальная конструкция и количество контактных групп таких вибропреобразователей могли быть разными. Но принцип работы был примерно одинаковым. Причем подобные вибропреобразователи выпускались и в конце прошлого века, когда, казалось бы, необходимость в них отпала.

Вибропреобразователь ВП-55 выпущенный в марте 1990 года. Фотография с сайта avito.ru
Вибропреобразователь ВП-55 выпущенный в марте 1990 года. Фотография с сайта avito.ru

В некоторых случаях конструкция вибропреобразователя была более сложной. Например, для большей стабильности частоты могли установить две катушки, каждая из которых отвечала за движение подвижных контактов в определенную сторону. При этом требовались и дополнительные контакты для коммутации обмоток.

Типовой блок питания с вибропреобразователем

В реальных блоках питания с вибропреобразователями вторичные обмотки не наматывали поверх обмоток собственно вибропреобразователя. Просто использовали трансформатор.

Типовая схема блока питания с виброперобразователем из журнала Радио 1947 года. С сайта chipinfo.ru
Типовая схема блока питания с виброперобразователем из журнала Радио 1947 года. С сайта chipinfo.ru

Если внимательно присмотреться, то станет очевидным сходство со схемой преобразователя Ройера на транзисторах

DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.
DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление.

Такой блок питания является двухтактным, с двухтактным же выпрямителем на двуханодном кенотроне. Применение кенотрона иллюстрирует и основное начальное применение вибропреобразователей - преобразователи для питания анодных цепей ламповых схем.

Вообще, для питания, например, ламповых радиоприемников в сельской местности при отсутствии сети 220 В (127 В) применяли и сухие батареи. Накальные, для питания накалов ламп, анодные, для питания анодных цепей. Выпускались и комбинированные анодно-накальные батареи.

Но для мобильных устройств (радиостанции, например) и военной техники использование анодных батарей было неудобным. Поэтому использовались различные аккумуляторы и блоки питания анодов, на вибропреобразователях.

Военное применение объясняет и выпуск вибропреобразователей в 90-х годах прошлого века, когда они уже могли быть заменены полупроводниками. Военные тогда всерьез рассматривали возможность боев в условиях обмена ядерными ударами. Поэтому электронное оборудование танков, например Т-55, изготавливалось на электронных лампах, а не на полупроводниках. А для питания лампового оборудования нужны вибропреобразователи, так как полупроводники считались ненадежными к воздействию электромагнитного импульса.

Блоки питания с вибропреобразователям с синхронным выпрямителем

Однако, в приведенной выше типовой схеме все таки используется один компонент электроники - кенотрон. А я обещал показал преобразователь вообще без электронных компонентов.

Для этого вместо диодов для выпрямления выходного напряжения использовались дополнительные контакты вибропреобразователя. Примерно вот так

Блок питания с вибропреобразователем и синхронным выпрямителем. Схема из журнала Радио 1947 года. С сайта chipinfo.ru
Блок питания с вибропреобразователем и синхронным выпрямителем. Схема из журнала Радио 1947 года. С сайта chipinfo.ru

Здесь нет ни одного электронного компонента. Только электротехнические. Если сам вибропреобразователь поместить в вакуум, а его контакты выполнить из сплава устойчивого к электрической эррозии, то получится весьма надежное устройство. Что очень нравилось военным. Правда вибропреобразователь потребуется периодически заменять, но это не считалось существенным минусом.

Заключение

Вот так, практически в начале прошлого века создавались DC-DC преобразователи, да еще и с синхронными выпрямителями, что ощутимо повышало КПД. И схемы этих преобразователей были весьма похожи на те, что мы используем сегодня. Только элементная база другая.

Поистине, все развивается по спирали и старые идеи и решения возвращаются к нам в новом облике, на новом уровне.

До новых встреч!