CN110212756A - 一种低成本直流电压倍升器及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于倍压整流技术的低成本直流电压倍升器的制作技术及实现方法，其包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个限流电路、一个互补推挽功率放大电路、一个二倍压整流电路，所述无稳态多谐振荡器是由IC1及***电路组成一个工作频率为8.5kHz的方波发生器，方波信号推动所述互补推挽放大电路的两个激励管轮流导通，由于充电电容两端端电压不能突变，在激励管轮流导通时，使充电电容通过导通的激励管对地的电位值翻倍，形成所谓的直流电压倍升器，这种直流电压倍升器电路不能提供较大的输出电流，但作为对小信号放大电路的供电，也足够。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于倍压整流技术的低成本直流电压倍升器及实现方法，直接从直流低电压获取直流高电压，传统方法是可以采用DC/DC模块电路，但成本较高，设计一款低成本的直流电压倍升器电路，采用由时基电路NE555组成的多谐振荡器电路，形成一个方波信号发生器，方波信号推动互补推挽放大电路的两个激励管轮流导通，由于充电电容两端端电压不能突变，在激励管轮流导通时，使充电电容通过导通的激励管对地的电位值翻倍，形成所谓的直流电压倍升器。
背景技术
理论上讲从某一直流电压获取较低值的直流电压很容易实现，只要对输出电流要求不高、输出电压稳压不要求的话，在电压源与负载之间串接一个电阻即可实现；要求稍高些可利用78或79系列的三端稳压器实现降压输出，效果不错，其标定电流可达1.5A左右。
但要从直流低电压获取直流高电压的话，就有些麻烦，最简单的办法是采用DC-DC变换器模块，有众多型号可供选择，但成本有些高。
如果自己设计的话，最常用的方案是首先利用单管自激振荡器电路或其它自激多谐振荡器电路生成一定频率的恒幅脉冲信号，脉冲信号从开关变压器输入，变压器次级即可得到变压以后的同频率升（或降）脉冲信号，再通过整流、滤波、稳压得到所需的直流电压。这种方案的好处是只要选取合适的开关变压器，不但可以得到升压直流输出，也可得到降压直流输出，当然输出功率不能超出原电压源功率，输出电流不能超出振荡管最大工作电流，该方案的缺点是电路有些复杂。
可以设计一种比较简单的基于倍压整流技术的低成本直流电压倍升器电路，方案首先也是先将直流电压生成脉冲信号，利用倍压整流技术即可很容易得到与原电压源成倍数（≥2倍）的直流电压输出，当然假设负载是空载是这类设计方案的前提，且已处于稳态。当电路加上负载后，输出电压将不可能达到脉冲幅值的倍数。为了弥补这类方案输出电压随负载大幅波动的缺点，可以利用78或79系列三端稳压器实现最后的稳定电压输出，当然输出功率要考虑原电压源的功率以及三端稳压器的损耗功率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的不同于传统DC/DC模块电路的低成本直流电压倍升器。
为实现上述目的，本发明提供一款基于倍压整流技术的低成本直流电压倍升器，其包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个限流电路、一个互补推挽功率放大电路、一个二倍压整流电路；所述无稳态多谐振荡器是由集成电路IC1及***电路组成一个工作频率为8.5kHz的方波发生器，输入电压即IC1的供电电压12V、电阻R1、R2、电容C1、工作地依次连接，电阻R2 连接于IC1的6~7 脚之间；所述无稳态多谐振荡器产生的方波信号，通过所述限流电路即电阻R3同时连接所述互补推挽功率放大电路的晶体管T1以及T2的基极，晶体管T1的发射极连接晶体管T2的发射极，晶体管T1的集电极连接12V供电，晶体管T2的集电极连接工作地；晶体管T1、T2发射极的连接点连接所述二倍压整流电路的电解电容C3的负极，C3的正极同时连接所述二倍压整流电路的整流二极管D1的N极以及D2的P极，D2的N极连接所述二倍压整流电路的的电解电容C4的正极，C4两端的电压就经过电压倍升器升压以后的输出电压。
所述无稳态多谐振荡器电路的IC1的5脚与工作地之间连接电容C2，可以实现提高IC1内部比较器1参考电压Ur1和比较器2参考电压Ur2的稳定性。
附图说明
附图1、附图2、附图3、附图4用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是二倍压整流电路工作原理，附图2是低成本直流电压倍升器电气原理图，附图3是555计时器电路，附图4是555振荡电路输出波形图。
具体实施方式
基于倍压整流的低成本直流电压倍升器
上文已经提高，利用倍压整流技术得到成倍数的直流电压输出，第一步不外乎都是现将直流电源生成一定频率的脉冲信号，然后利用倍压整流技术获取所需的电压输出。
倍压整流技术
所谓倍压整流技术，就是利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。如图1所示，为二倍压整流电路。
附图1所示的二倍压整流电路，u2为变压器副边电压有效值。其工作原理简述如下：当u2正半周时，A点为“+”，B点为“—”，使得二极管D1导通，D2截止；电容C1充电，电流如图中实线所示；C1上的电压极性为右“+”左“—”，最大值可达。当u2为负半周时，A点为“—”，B点为“+”，电容C1上的电压与变压器副边电压相加，使得二极管D2导通、D1截止；电容C2充电，电流如图中虚线所示，C2上的电压极性为下“+”上“—”，最大值可达。
可见，正是电容C1对电荷的存储作用，使输出电压（即电容C2上电压）为变压器副边电压峰值的2倍，利用同样原理可以实现所需倍数的输出电压。
低成本直流电压倍升器电气原理
当从某一直流电压欲获取更高的电压时，便可以采用本文所述的直流倍压电路，由于这类运用所需提供的电流较小，成本也低，故很有实用价值。电气原理图如附图2所示。
从附图2可以看到，这款低成本直流电压倍升器由无稳态多谐振荡器电路、限流电路、互补推挽功率放大电路、二倍压整流电路组成。
无稳态多谐振荡电路
由集成电路IC1(NE555)与***元件构成一个无稳态多谐振荡电路，NE555 定时器成本较低，性能非常可靠，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级，它提供两个基准电压 1/3 UCC和 2/3UCC。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路，如附图3所示。
555电路只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，这是555电路最常用的功能，本设计中，555电路工作于无稳态多谐振荡方式，简单介绍一下。
将555定时器的阈值端TH（6脚）信号与触发端TL（2脚）信号这两个输入端连接在一起作为信号输入端，见图2，即可得到斯密特触发电路，然后将斯密特触发电路的反相输出端(见附图3)经R/C积分电路（见附图2的由电阻R2以及电容C1组成的积分电路）接回到它的输入端，就构成了多谐振荡电路。
为了减轻反相器门G（见附图3）的负载，在R/C积分电路中电容C1的容量较大的时候，不宜直接由反相器G提供电容的充放电电流，为此，在图3电路中将放电管TD与电阻R1（见图2）接成了一个反相器，它的输出UD(IC1的7脚电压)与计数器555的输出UO在高低电平状态上完全相同。将UD经电阻R2与电容C1组成的积分电路接到斯密特触发器的输入端同样也能构成多谐振荡电路，见附图2。
那么，电容C1上的电压UC1将在UT+(斯密特触发电路的上升沿阈值电压，2/3VCC)和UT—(斯密特触发电路的下降沿阈值电压，1/3VCC)之间往复振荡，UC1和UO(3脚)的波形将如附图4所示。为了提高比较器1参考电压Ur1和比较器2参考电压Ur2的稳定性，通常在CO端（5脚）接一个0.01uF左右的滤波电容C2。
多谐振荡电路的频率由电阻R2和电容C1确定，按照图2所示参数，无稳态多谐振荡器IC1是一个工作频率为8.5kHz的方波发生器。
限流电路
限流电路由连接于振荡电路输出端（3脚）和互补推挽放大电路之间的电阻R3构成，限流电阻R3可以防止信号源过载,若无电阻R3,信号源（振荡信号）的负载直接是晶体管T1或、T2的基—射电阻RBE,不管是直流信号还是交流信号源,都不许有这么低的阻抗，没有R3,信号源将过载。也可以说将信号源的电流输出变成电压输出,在电阻R3上产生压降。总之,最终的目的是达到信号源与负载的阻抗匹配。
互补推挽放大电路与二倍压整流输出电路
互补推挽电路是用两种极性的元件完成的放大或振荡电路，电路工作时互补元件轮流导通，这样可克服单极性元件在工作时出现的所谓倒相问题，可直接完成电路工作 。比如当输入信号为正时，双极性中的NPN管导通、PNP管由于极性自动截止，当电路输入信号为负时，PNP管导通NPN管截止。不管信号如何变化都能自动完成导通与截止，从而完成电路工作。
从图2中可以看到， NPN型三极管T1与PNP型三极管T2是两种极性相异的激励晶体管，组成互补推挽放大器电路，用一个信号来同时激励两只三极管，激励信号来自555组成多谐振荡电路输出的方波信号。电容C3、C4以及二极管D1、D2构成一个二倍压整流电路，通过该二倍压整流电路可以得到所需的直流升压电压值。
当IC1的3脚呈低电平时，激励管T1截止，T2导通，此时由于电容器C3的负载被连接到地，则该电容C3通过二极管D1及激励管T2集—射极充电；当IC1的3脚呈高电平时，激励管T2截止，而T1导通，由于有二极管D1存在，电容C3不能通过D1放电，但电源12V本来可以通过二极管D1、D2为电容C4充电，故电容C4上的充电电压可以达到电源电压的12V和C3、D1两端电压之和。
在我们的样机中，倍升电压可以达到20V，但最大电流不能超过70mA，在输出电流为70mA时，输出电压下降为18V，效率为80%，我们没有试验其它电源电压电路，但可以确定，只要不超过NE555集成块工作电压的任何电压都可行。
若您需要输出进行稳压，可以接入一个三端稳压集成电路，如78LXX系列，但这样调压集成块本身也要消耗倍压整流电路的输出电流，因此输出电流还要减小一些。
制作注意事项
互补推挽电路稳定性高、工作可靠，且用晶体管可完成电子管电路不能构成的电路形式，这对电路简化集成有大的好处。但互补电路特别是功率级应用对元件要求较高，激励管配对等需仔细甄选。
充电电容的耐压注意不是以电源电压作为参考值，而是以电源电压的二倍压作为参考值，一旦二倍压整流电路输出电压值超出电容耐压极限值，电容容易被击穿或***。
由于NE555最低工作电压4.5v以上，而且电流也大，故不适合供电为3v电池的直流电压倍升器，但是可选555cmos或其他mos芯片，可解决这个问题。
本设计电路结构简单，一般小信号放大电路需要的供电电流很小，故只要注意负载的选用，采用这种低成本的二倍压整流电路获取所需升压直流电压值，不失为一种经济、高效的选择。
Claims (2)
1.一种低成本直流电压倍升器及实现方法，其特征在于：所述直流电压倍升器包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个限流电路、一个互补推挽功率放大电路、一个二倍压整流电路；所述无稳态多谐振荡器是由集成电路IC1及***电路组成一个工作频率为8.5kHz的方波发生器，输入电压即IC1的供电电压12V、电阻R1、R2、电容C1、工作地依次连接，电阻R2 连接于IC1的6~7 脚之间；所述无稳态多谐振荡器产生的方波信号，通过所述限流电路即电阻R3同时连接所述互补推挽功率放大电路的晶体管T1以及T2的基极，晶体管T1的发射极连接晶体管T2的发射极，晶体管T1的集电极连接12V供电，晶体管T2的集电极连接工作地；晶体管T1、T2发射极的连接点连接所述二倍压整流电路的电解电容C3的负极，C3的正极同时连接所述二倍压整流电路的整流二极管D1的N极以及D2的P极，D2的N极连接所述二倍压整流电路的的电解电容C4的正极，C4两端的电压就经过电压倍升器升压以后的输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种低成本直流电压倍升器及实现方法，其特征在于：所述无稳态多谐振荡器电路的IC1的5脚与工作地之间连接电容C2，可以实现提高IC1内部比较器1参考电压Ur1和比较器2参考电压Ur2的稳定性。
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