淺析采用雙極型晶體管的直流250mV轉(zhuǎn)換器
發(fā)布時(shí)間:2018-11-30 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】直流250mV轉(zhuǎn)換器描述如下:它基于一個(gè)硅雙極型晶體管(BJT),可在低于250mV電壓下工作,這對(duì)一個(gè)不是基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或鍺晶體管的轉(zhuǎn)換器來說幾乎是創(chuàng)記錄的。
直流250mV轉(zhuǎn)換器描述如下:它基于一個(gè)硅雙極型晶體管(BJT),可在低于250mV電壓下工作,這對(duì)一個(gè)不是基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或鍺晶體管的轉(zhuǎn)換器來說幾乎是創(chuàng)記錄的。如何實(shí)現(xiàn)這種可能性呢? VBE的閾值并不是確定的,它決于電流密度和其他因素。 但250 mV遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于能接受的最小值。這就需要用到一點(diǎn)竅門,實(shí)際上這里面也有幾分訣竅。
最大的困難在于啟動(dòng)。一旦啟動(dòng),即使電壓下降到遠(yuǎn)低于傳輸極限,轉(zhuǎn)換器可以輕松地提供足夠的電壓。訣竅在于使用第三根線連接電源輸入來觸發(fā)振蕩器,當(dāng)開關(guān)還處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí),第三根線經(jīng)由R3給C2充電(圖1)。
該電路通過R4,給C2充電到電源電壓。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),C2負(fù)極為V+,也就是說它有相當(dāng)于兩倍電源的電壓,即500mV。這一電壓經(jīng)由變壓器T1給Q1提供偏置。500mV雖然比較小,但足夠產(chǎn)生一小電流流進(jìn)晶體管Q1,使振蕩器開始工作,直到最后進(jìn)入截止區(qū)。
此電路的第二個(gè)特點(diǎn),是使用電流變壓器而不是通常的在主線圈外增加一個(gè)輔助饒組 來獲得電壓反饋。這樣可以通過減少電壓變動(dòng)的影響并在負(fù)載增大時(shí)增加反饋量來確保足夠穩(wěn)定的振蕩。
這種電流變壓器繞制在一個(gè)小的可飽和鐵氧體磁環(huán)或磁珠上,初級(jí)饒兩圈,次級(jí)饒50個(gè)線圈。線圈的數(shù)量并不是關(guān)鍵的,可以根據(jù)所用的器件進(jìn)行調(diào)整以取得最好的效果。
在這個(gè)例子中, Q1工作在β=25,輸出經(jīng)由一個(gè)肖特基二極管D2,在主電感L2上取得。該電路顯示在給一個(gè)白光LED供電,但其它的電壓和應(yīng)用也可以通過更換一個(gè)合適的齊納二極管來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓大于5V時(shí),最好在L2上使用一個(gè)升壓線圈,這是因?yàn)楫?dāng)升壓比超過30時(shí),L2必須保證良好性能。
C3和D3是可選的,方便提高效率。C4和L2諧振,D3則利用存儲(chǔ)在T1中的部分能量,可以提高越5%的效率。然而,這些器件會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)更加困難。
輸入電流為269mA時(shí), 原型樣機(jī)可以在輸出電壓為3.02V時(shí),提供8.85mA的電流。振蕩頻率為8.3kHz。根據(jù)元器件和調(diào)整的程度,效率在30%到50%之間。一旦開始工作,轉(zhuǎn)換器可以持續(xù)工作在低至110mV電壓的電壓下,盡管如此,在低于150mV的情況下,將不能得到任何有用的能量。
如果需要更多能量,一個(gè)明顯的解決方案就是使用輸出電壓去驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)模式的電源控制芯片。一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法即使直接使用轉(zhuǎn)換器的波形去驅(qū)動(dòng)一個(gè)低導(dǎo)通阻抗的MOSFET Q2。箝位網(wǎng)絡(luò)R1,R2,C1,和D1對(duì)基極驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以保證Q2基極有適當(dāng)?shù)碾娖健?使用合適元件,可以成10倍地增加輸出能量。
為了最大限度地提高效率,必須減少線圈和元器件的損耗。包括線圈的阻抗,開關(guān)的接觸阻抗,電容的等效串聯(lián)阻抗和Q1的飽和電壓。每毫歐姆都可以影響到最終結(jié)果。
2SC1983(Q1)是一個(gè)早期型號(hào)的超β放大系數(shù)晶體管,更新的型號(hào),如Zetex的產(chǎn)品,會(huì)有更好的表現(xiàn)。通過在多種Zetex樣品上的測(cè)試證實(shí)了這點(diǎn)(ZTX1047, ZTX869和NPN加肖基特組合產(chǎn)品ZX3CDBS1M832;見www.zetex.com上的更多信息)。輸出功率由原來的26.7mW提高到102mW,效率由原來的39.7%提高到了52%。這意味著許多應(yīng)用就不需要額外的轉(zhuǎn)換器.
該電路使能量采集得到很大范圍的應(yīng)用,使得使用像單一的太陽能電池、熱電發(fā)電機(jī)、電滲透電池、燃料電池和低轉(zhuǎn)換效率的化學(xué)電池等變得可行。你甚至可以把一對(duì)不同金屬制成的金屬棒插在土壤中來獲取有用的能量。該電路沒有提供調(diào)節(jié)功能,因?yàn)榘讯嘤嗟哪芰慷逊e在諸如齊納二極管等地方對(duì)能量收集來說是一種浪費(fèi)。
從圖示2的電路變換形式可發(fā)現(xiàn)一些問題:該電路并不是真正在250mV下開始工作,并且“第三線”有幾分”欺騙”成分。該變形電路是一個(gè)雙線電路。L1和C2組成共振電路,獲得能量后,在L1和C2的節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩。經(jīng)過半個(gè)周期后,電壓翻轉(zhuǎn)到正極, 給T1提供500mv的電壓。
該電路更多的是一種可行性的描述,而不是一種實(shí)用的陳述。正常工作時(shí),L1和C2必須是低損耗型的, C2是塑料介質(zhì)的,L1是鐵氧體磁芯的,它們?nèi)≈当M可能大。即便如此,它的表現(xiàn)仍然不及觸發(fā)版本:相對(duì)于三線電路的235mv啟動(dòng)電壓,該電路需要255mV才能可靠啟動(dòng)。
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