“Викрадач Джоулів”

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип низьковольтного перетворювача напруги.

Обладнання:

– макетна плата;

– біполярний npn-транзистор 2n2222 або 2n3904;

– резистор опором 1 кОм, 0,25…1 Вт;

– емальований або ізольований монолітний дріт діаметром 0,3…0,5 мм (по міді);

– світлодіоди;

– з’єднувальні провідники;

– використані елементи живлення 1,5 В формату АА або ААА;

– циліндричне тіло діаметром 20…40 мм;

– ізоляційна стрічка або вузький скотч.

Основні терміни та поняття

Біполярний транзистор (принцип дії та характеристики) Біполярні транзистори ОТРИМАННЯ НЕЗГАСАЮЧИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ Блокінг-генератори Загальні відомості про електронні генератори

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип низьковольтного підвищувального перетворювача напруги

Одноразові сольові та лужні елементи живлення («батарейки») мають номінальну напругу 1,5 В. При цьому в нового щойно купленого елемента напруга зазвичай дещо більша за цю величину. Під час роботи елемент розряджається і його напруга поступово знижується. До моменту зниження напруги елемента до значення 0,8…0,9 В він віддає понад 90% своєї енергії. Але фактично пристрої, які живляться від батарейок, перестають нормально працювати, коли напруга на елементах живлення знижується лише до 1,2…1,3 В. Наприклад, для живлення білого світлодіода можна застосувати батарею з двох послідовно з’єднаних елементів живлення. Світлодіод перестане світитися, коли напруга на батареї знизиться до значення близько 2,5 В, що приблизно дорівнює значенню його прямого падіння напруги. Напруга на кожному елементі знизиться до 1,25 В, а елементи при цьому можуть не віддати і половини енергії, яку мають.

Також варто пам’ятати, що одноразові елементи живлення потребують окремої правильної утилізації. У розвинених країнах витрати на збір і утилізацію відпрацьованих елементів живлення включені в їхню вартість. Вартість переробки 1 тонни батарейок у Європі складає близько 400 євро. Один відпрацьований елемент живлення формату АА (пальчикова батарейка), викинутий разом із загальними побутовими відходами, забруднює до 20 м² ґрунту, або 400 л води. Така екологічна шкода еквівалентна смерті одного їжака.

Для виготовлення елементів живлення використовують корисні копалини, видобування яких також сильно шкодить довкіллю.

Отже, проблема раціонального використання й утилізації елементів живлення є досить актуальною. Частково цю проблему розв’язують шляхом застосування низьковольтних підвищувальних перетворювачів напруги, здатних працювати за вхідних напруг 0,7 В і навіть менше, а на виході забезпечувати напругу 3 В і більше. Такі перетворювачі дають змогу використати всю енергію, що містить елемент живлення, тому серед радіолюбителів їх жартома називають «викрадачами Джоулів».

Сучасні перетворювачі напруги зазвичай є імпульсними з індуктивним накопиченням енергії. Загальна структурна схема імпульсного перетворювача для підвищення напруги представлена на рис. 2.

Рис. 2. Загальна схема імпульсного перетворювача напруги

Ключ SA1, зазвичай транзисторний, керується імпульсами, які формуються контролером, побудованим на спеціалізованих мікросхемах, і перебуває то в закритому, то у відкритому стані. Коли ключ відкривається, через дросель починає текти і збільшуватися струм від низьковольтного джерела живлення GB1. Дросель при цьому накопичує енергію. Полярність напруги, прикладеної до дроселя, при цьому така: 1 – «+», 2 – «-». Коли ключ розмикається, на дроселі з’являється ЕРС самоіндукції, полярність якої зворотна напрямку струму, що протікав протягом часу, коли ключ перебував у відкритому стані. Полярність ЕРС самоіндукції дроселя така: 1 – «-», 2 – «+». Дросель у цей момент стає джерелом напруги, з’єднаним послідовно з джерелом GB1. До конденсатора С1 через діод VD1 у цей момент прикладена напруга, яка дорівнює сумі напруги джерела GB1 і ЕРС самоіндукції дроселя за вирахуванням прямого падіння напруги на діоді. ЕРС самоіндукції дроселя за рахунок швидкого закривання ключа і, відповідно, швидкої зміни струму може досягати значень, у рази або десятки раз більших за напругу джерела живлення. Процеси відкривання і закривання ключа відбуваються з високими частотами (десятки або сотні кілогерц), а конденсатор С1 має достатню ємність для згладжування пульсацій напруги. Тому вихідна напруга перетворювача є постійною з незначними пульсаціями, які за необхідності можна усунути за допомогою додаткового лінійного стабілізатора напруги.

Імпульсні перетворювачі напруги, які випускаються промислово, зазвичай побудовані з застосуванням спеціалізованих мікросхем, які формують керувальні імпульси для транзисторних ключів. Але перетворювач напруги, що працює за таким самим принципом, може бути й автогенераторним. На відміну від перетворювачів на спеціалізованих мікросхемах, автогенераторні перетворювачі мають менший ККД, але значно простіші за будовою і можуть працювати за менших вхідних напруг.

У цій практичній роботі пропонується виготовити прототип автогенераторного перетворювача напруги для живлення світлодіодів від однієї батарейки, принципова схема якого зображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема електрична принципова перетворювача

Котушки L1 та L2 – це одна котушка з відводом від середини. Коли до схеми підключається джерело живлення, струм починає текти через котушку L2, резистор R1 і перехід база-емітер (Б-Е) транзистора Q1. Транзистор при цьому починає відкриватися. Через котушку L1 та колектор (К) транзистора також починає протікати і наростати струм, сила якого значно більша за силу струму бази. При цьому за рахунок взаємоіндукції в котушці L2 наводиться ЕРС, під дією якої через неї починає протікати додатковий струм у тому ж напрямку, що й початковий струм, який призводить до ще більшого відкривання транзистора. Коли струм котушки L1 через колектор транзистора стабілізується після наростання, взаємоіндукція котушок припиняється і транзистор закривається. У котушках при цьому виникає ЕРС самоіндукції зворотного знаку, яка значно прискорює закривання транзистора. Між колектором і емітером транзистора виникають імпульси підвищеної напруги за аналогією зі схемою на рис. 2. Далі такі цикли повторюються доти, доки підключене джерело живлення. Такий процес генерації імпульсів називається блокінг-процесом, а генератори, які працюють за таким робочим процесом, відповідно – блокінг-генераторами.

На рисунку 4 представлене розміщення виводів для транзисторів 2n2222 та 2n3904.

Рис. 4. Розміщення виводів транзисторів 2n2222 та 2n3904

Котушки L1 та L2 мають по 40…60 витків (80…120 витків із відводом від середини) і намотуються на циліндричному тілі діаметром 20…40 мм.

Хід роботи

1. Візьміть циліндричне тіло і намотайте на ньому 40…60 витків ізольованим або емальованим дротом, залишивши приблизно 10 см дроту від початку.
2. Зробіть відвід довжиною приблизно 10 см і намотайте у цьому самому напрямку ще стільки ж витків.
3. Залиште приблизно 10 см дроту від кінця та обріжте решту. Ви намотали котушки L1 та L2, що є однією котушкою з відводом від середини.
4. Акуратно зніміть намотану котушку і зафіксуйте її за допомогою її ж виводів. Приклад котушки показано на рисунку 5.

Рис. 5. Приклад котушки L1 – L2

5. Зафіксуйте котушку також за допомогою ізоляційної стрічки.
6. Очистіть кінці проводів від емалі або ізоляції, надійно скрутіть між собою кінці проводів, якими було зроблено відведення від середини, забезпечивши гарний електричний контакт між ними. Якщо є можливість, ці проводи можна спаяти за допомогою паяльника.
7. На макетній платі складіть електричну схему відповідно до рисунку 3 з урахуванням правильного розміщення виводів транзистора відповідно до рисунку 4. Приклад зібраного пристрою показано на рисунку 6.

Рис. 6. Приклад зібраного пристрою.

8. Підключіть до пристрою живлення у вигляді використаної батарейки. Якщо пристрій зібраний правильно, а батарейка має напругу 0,8…1 В, то 2-3 світлодіоди при підключенні живлення мають засвітитися.
9. Якщо світлодіоди не світяться, спробуйте зменшити їхню кількість, взяти іншу батарейку, перевірте правильність складання схеми.
10. Якщо ваш перетворювач запрацював нормально, визначте максимальну кількість послідовно з’єднаних світлодіодів, які будуть світитися при живленні від перетворювача.
11. За бажанням зробіть котушки з такою самою кількістю витків, але іншого діаметру, підключіть їх до пристрою і проведіть його випробування, так само визначивши максимальну кількість світлодіодів, які будуть світитися.
12. За бажанням зробіть котушки такого самого діаметру, але з іншою кількістю витків, підключіть до пристрою і проведіть його випробування.
13. Якщо ви маєте мультиметр, визначте мінімальну напругу, за якої перетворювач працюватиме.

Аналіз даних

1. Дійдіть висновків щодо принципу роботи імпульсного підвищувального перетворювача напруги.
2. Якщо ви виконали п. 11, зробіть висновок про те, як і чому впливає діаметр котушок на ступінь підвищення напруги.
3. Якщо ви виконали п. 12, зробіть висновок про те, як і чому впливає кількість витків у котушках на ступінь підвищення напруги.