RU221276U1 - DC-DC converter based on switched capacitors - Google Patents
DC-DC converter based on switched capacitors Download PDFInfo
- Publication number
- RU221276U1 RU221276U1 RU2023104881U RU2023104881U RU221276U1 RU 221276 U1 RU221276 U1 RU 221276U1 RU 2023104881 U RU2023104881 U RU 2023104881U RU 2023104881 U RU2023104881 U RU 2023104881U RU 221276 U1 RU221276 U1 RU 221276U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitors
- voltage
- terminal
- power source
- converter
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в устройствах, в которых необходимо получение на электрической нагрузке более высокого электрического напряжения, чем напряжение входного источника питания. Задача полезной модели - создание малогабаритного с минимальным количеством коммутируемых элементов преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах, монтируемого на печатной плате, преобразующего на выходе напряжение, в 2-4 раза превышающее входное напряжение, и находящегося все время в режиме готовности к работе, и использующего миниатюрные батарейки с малым рабочим током в качестве источника питания. Поставленная задача достигается тем, что в преобразователе постоянного электрического напряжения на коммутируемых конденсаторах, состоящем из источника постоянного напряжения, батареи конденсаторов, коммутирующих элементов для подключения источника постоянного электрического напряжения к конденсаторам и нагрузке, преобразователь дополнительно содержит высокоомные резисторы, через которые источник питания постоянно подключен к конденсаторам, причем ближайший к источнику напряжения конденсатор одним выводом присоединен к одному из выводов источника питания через высокоомный резистор, а другим выводом присоединен непосредственно к другому выводу источника питания, а последующие конденсаторы постоянно подключены обоими выводами через высокоомные резисторы к одному и второму выводам источника питания соответственно, а коммутирующие элементы разомкнутыми контактами подключены к коммутируемым конденсаторам, и при включении соединяют коммутируемые конденсаторы последовательно. Номиналы сопротивлений высокоомных резисторов в преобразователе постоянного электрического напряжения выбираются из условия, чтобы ток зарядки конденсаторов от источника постоянного напряжения, не превышал 1-2 мкА. Также преобразователь постоянного электрического напряжения содержит коммутирующие элементы с двумя разомкнутыми контактами и с числом коммутирующих элементов, равным числу коммутируемых конденсаторов. The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in devices in which it is necessary to obtain a higher electrical voltage at an electrical load than the voltage of the input power source. The purpose of the utility model is to create a small-sized voltage converter with a minimum number of switched elements on switched capacitors, mounted on a printed circuit board, converting an output voltage that is 2-4 times higher than the input voltage, and is always in readiness mode, and uses miniature batteries with low operating current as a power source. The task is achieved by the fact that in a DC voltage converter based on switched capacitors, consisting of a DC voltage source, a battery of capacitors, switching elements for connecting the DC voltage source to the capacitors and the load, the converter additionally contains high-resistance resistors through which the power source is constantly connected to capacitors, and the capacitor closest to the voltage source is connected with one terminal to one of the terminals of the power source through a high-resistance resistor, and with the other terminal is connected directly to another terminal of the power source, and subsequent capacitors are constantly connected with both terminals through high-resistance resistors to one and second terminals of the power source, respectively , and the switching elements are connected with open contacts to the switched capacitors, and when turned on, they connect the switched capacitors in series. The resistance values of high-resistance resistors in the DC-DC converter are selected from the condition that the charging current of the capacitors from a DC voltage source does not exceed 1-2 μA. Also, the DC-DC voltage converter contains switching elements with two open contacts and a number of switching elements equal to the number of switched capacitors.
Description
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в устройствах, в которых необходимо получение на электрической нагрузке более высокого электрического напряжения, чем напряжение входного источника питания.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in devices in which it is necessary to obtain a higher electrical voltage at an electrical load than the voltage of the input power source.
Известно большое количество преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах, например, [1, стр. 17-22], состоящих из коммутируемых конденсаторов и электронных ключей, выполненных на транзисторах и микросхемах. Принцип работы преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах основан на периодическом одновременном заряде группы конденсаторов, включенных параллельно или последовательно. В следующий рабочий цикл эти конденсаторы переключают, соответственно, в последовательную цепочку, либо параллельно. В первом случае преобразователь является повышающим; во втором-понижающим.There are a large number of voltage converters based on switched capacitors, for example, [1, pp. 17-22], consisting of switched capacitors and electronic switches made on transistors and microcircuits. The operating principle of voltage converters using switched capacitors is based on periodic simultaneous charging of a group of capacitors connected in parallel or in series. In the next operating cycle, these capacitors are switched, respectively, into a series circuit or in parallel. In the first case, the converter is a boost converter; in the second - downward.
Недостатками таких преобразователей являются: большое потребление тока от источника питания из-за необходимости работы электронных ключей и зарядки конденсаторов, что исключает использование маломощных дисковых часовых батареек; значительное количество электронных компонентов, что затрудняет выполнение таких преобразователей в миниатюрном исполнении; для перевода преобразователя в режим готовности необходимо конденсаторы зарядить, т.е. включить электронные ключи на зарядку конденсаторов - для зарядки конденсаторов требуется определенное время, только тогда преобразователь можно подключить к нагрузке. Для ряда нагрузок нежелателен период ожидания, в течение которого произойдет зарядка конденсаторов.The disadvantages of such converters are: high current consumption from the power source due to the need to operate electronic switches and charge capacitors, which eliminates the use of low-power disc clock batteries; a significant number of electronic components, which makes it difficult to produce such converters in a miniature version; To put the converter into ready mode, it is necessary to charge the capacitors, i.e. turn on electronic switches for charging capacitors - charging the capacitors requires a certain time, only then can the converter be connected to the load. For some loads, a waiting period during which the capacitors will charge is undesirable.
Известен преобразователь постоянного электрического напряжения на коммутируемых конденсаторах - умножитель напряжения Н.М. Катасонова [1, 2]. Устройство, реализующее способ зарядки конденсаторной батареи (см.рис.2.9 в [1] и рисунок в [2]), содержит конденсаторную батарею, состоящую из последовательно соединенных конденсаторов 1-4, управляемых ключей 5-8, ограничительного резистора 9, управляемых ключей 10, 11, 12, цепи, из последовательно соединенных дополнительного резистора 13 и разделительного диода 14, разделительного диода 15, нагрузки 16. При включении ключевых элементов по определенному алгоритму производится зарядка конденсаторов от источника питания, а затем при их соединении в последовательную цепочку получается на выходе умноженное в n-раз напряжение. Недостатком такого преобразователя постоянного электрического напряжения является большое число ключевых элементов. Для перевода преобразователя в режим готовности необходимо конденсаторы зарядить, т.е. включить электронные ключи на зарядку конденсаторов - для зарядки конденсаторов требуется определенное время, только тогда преобразователь можно подключить к нагрузке. Для ряда нагрузок нежелателен период ожидания, когда конденсаторы зарядятся.A known DC voltage converter based on switched capacitors is a voltage multiplier N.M. Katasonova [1, 2]. A device that implements a method for charging a capacitor bank (see Fig. 2.9 in [1] and figure in [2]) contains a capacitor bank consisting of series-connected capacitors 1-4, controlled switches 5-8, a limiting resistor 9, controlled switches 10, 11, 12, circuits consisting of an additional resistor 13 and a separating diode 14, a separating diode 15, a load 16 connected in series. When the key elements are turned on according to a certain algorithm, the capacitors are charged from the power source, and then when they are connected in a series chain, the result is output voltage multiplied n times. The disadvantage of such a DC voltage converter is the large number of key elements. To put the converter into ready mode, it is necessary to charge the capacitors, i.e. turn on electronic switches for charging capacitors - charging the capacitors requires a certain time, only then can the converter be connected to the load. For some loads, a waiting period for the capacitors to charge is undesirable.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является преобразователь постоянного электрического напряжения на коммутируемых конденсаторах- удвоитель постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах [3], состоящий из источника постоянного напряжения, двух конденсаторов, подключаемых к нагрузке и источнику питания при помощи трех переключателей.The closest analogue to the claimed technical solution is a DC voltage converter on switched capacitors - a DC voltage doubler on switched capacitors [3], consisting of a DC voltage source, two capacitors connected to the load and the power source using three switches.
Недостатками такого преобразователя являются:The disadvantages of such a converter are:
для перевода преобразователя в режим готовности необходимо конденсаторы зарядить - для зарядки конденсаторов требуется определенное время, только тогда преобразователь можно подключить к нагрузке. Для ряда нагрузок нежелателен период ожидания, когда конденсаторы зарядятся;To put the converter into ready mode, you need to charge the capacitors - charging the capacitors takes a certain time, only then can the converter be connected to the load. For some loads, a waiting period for the capacitors to charge is undesirable;
при непосредственном подключении конденсаторов к источнику питания необходимо, чтобы источник питания обеспечивал необходимый ток зарядки. Нужны источники питания, например, батарейки, обеспечивающие требуемый ток зарядки. Это требует использования мощных источников питания, что в ряде случаев неприемлемо, например, при использовании маломощных часовых батареек и конденсаторов с большой емкостью (сотни мкФ);When connecting capacitors directly to a power source, it is necessary that the power source provides the required charging current. You need power sources, such as batteries, that provide the required charging current. This requires the use of powerful power supplies, which in some cases is unacceptable, for example, when using low-power clock batteries and capacitors with high capacity (hundreds of microfarads);
избыточное количество коммутирующих элементов: используются два коммутатора для подключения конденсаторов к источнику питания, два коммутатора для последовательного соединения конденсаторов и один коммутатор для подключения конденсаторов к нагрузке. Число коммутирующих элементов значительно увеличивается, если требуется получить на выходе, например, напряжение, в 3-4 раза превышающее входное напряжение;excessive number of switching elements: two switches are used to connect capacitors to the power source, two switches for series connection of capacitors and one switch to connect capacitors to the load. The number of switching elements increases significantly if it is required to obtain, for example, an output voltage 3-4 times higher than the input voltage;
большое количество элементов затрудняет изготовление малогабаритного преобразователя, монтируемого на печатной плате.a large number of elements makes it difficult to manufacture a small-sized converter mounted on a printed circuit board.
Задача полезной модели - создание малогабаритного с минимальным количеством коммутируемых элементов преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах, монтируемого на печатной плате, преобразующего на выходе напряжение, в 2-4 раза превышающее входное напряжение, и находящегося все время в режиме готовности к работе, и использующего миниатюрные батарейки с малым рабочим током в качестве источника питания.The purpose of the utility model is to create a small-sized voltage converter with a minimum number of switched elements using switched capacitors, mounted on a printed circuit board, converting an output voltage 2-4 times higher than the input voltage, and being in readiness mode all the time, and using miniature batteries with low operating current as a power source.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователе постоянного электрического напряжения на коммутируемых конденсаторах, состоящем из источника постоянного напряжения, батареи конденсаторов, коммутирующих элементов для подключения источника постоянного электрического напряжения к конденсаторам и нагрузке, преобразователь дополнительно содержит высокоомные резисторы, через которые источник питания подключается к конденсаторам батареи, причем первый конденсатор одним выводом присоединен к выводу источника постоянного напряжения через высокоомный резистор, а другим выводом присоединен к общему выводу источника постоянного напряжения и нагрузки, другие конденсаторы батареи подключены каждый одним выводом через соответствующий высокоомный резистор к выводу источника постоянного напряжения, а другим выводом к общему выводу, коммутирующие элементы являются замыкающими, число коммутирующих элементов равно числу конденсаторов батареи, один вывод каждого коммутирующего элемента соединен с общим выводом соответствующего конденсатора и высокоомного резистора, соединяющего указанный конденсатор с выводом источника постоянного напряжения, другой вывод каждого коммутирующего элемента, кроме последнего, соединен с общим выводом следующего конденсатора и высокоомного резистора, соединяющего указанный конденсатор с общим выводом, другой вывод последнего коммутирующего элемента соединен с выводом нагрузки. Номиналы сопротивлений высокоомных резисторов выбираются из условия не превышения тока заряда конденсаторов от источника постоянного напряжения 1-2 мкА.The task is achieved by the fact that in a DC voltage converter using switched capacitors, consisting of a DC voltage source, a battery of capacitors, switching elements for connecting the DC voltage source to the capacitors and the load, the converter additionally contains high-resistance resistors through which the power source is connected to the capacitors batteries, and the first capacitor is connected with one terminal to the terminal of the constant voltage source through a high-resistance resistor, and with the other terminal is connected to the common terminal of the constant voltage source and load, the other capacitors of the battery are each connected with one terminal through a corresponding high-resistance resistor to the terminal of the constant voltage source, and with the other terminal to the common terminal, the switching elements are closing, the number of switching elements is equal to the number of battery capacitors, one terminal of each switching element is connected to the common terminal of the corresponding capacitor and a high-resistance resistor connecting the specified capacitor to the terminal of the constant voltage source, the other terminal of each switching element, except the last one, connected to the common terminal of the next capacitor and a high-resistance resistor connecting the specified capacitor to the common terminal, the other terminal of the last switching element is connected to the load terminal. The resistance values of high-resistance resistors are selected from the condition that the capacitor charging current from a constant voltage source does not exceed 1-2 μA.
Предлагается преобразователь постоянного электрического напряжения в выходное напряжение, в 2-4 раза превышающее входное напряжение и свободного от вышеназванных недостатков: минимальное количество коммутируемых элементов; использование миниатюрных дисковых часовых батареек с малым рабочим током; мгновенная готовность к работе; малые габариты и вес; отсутствие потребления тока в процессе хранения и периода ожидания включения в работу. Преобразователь имеет минимальное количество коммутирующих элементов и все время находится в режиме готовности, так как источник питания (дисковые часовые батарейки) все время подключены к выводам коммутируемых конденсаторов. Преобразователь постоянного электрического напряжения на коммутируемых конденсаторах состоит из источника постоянного напряжения, батареи конденсаторов, коммутирующих элементов для подключения источника постоянного электрического напряжения к выводам конденсаторов и к нагрузке и дополнительно содержит высокоомные резисторы, через которые источник питания постоянно подключен к выводам конденсаторов, причем ближайший к источнику напряжения конденсатор одним выводом присоединен к одному из выводов источника питания через высокоомный резистор, а другим выводом присоединен непосредственно к другому выводу источника питания, а последующие конденсаторы постоянно подключены обоими выводами через высокоомные резисторы к одному и второму выводам источника питания, соответственно, а коммутирующие элементы разомкнутыми контактами подключены к выводам конденсаторов. Коммутирующий элемент в нашем случае-коммутатор с двумя разомкнутыми контактами в исходном положении, которые электрически соединяются при включении коммутатора.A converter of direct electrical voltage into an output voltage is proposed, which is 2-4 times higher than the input voltage and is free from the above-mentioned disadvantages: a minimum number of switched elements; use of miniature disk watch batteries with low operating current; instant readiness for work; small dimensions and weight; no current consumption during storage and no waiting period for switching on. The converter has a minimum number of switching elements and is always in readiness mode, since the power source (disc watch batteries) is always connected to the terminals of the switched capacitors. A DC voltage converter based on switched capacitors consists of a DC voltage source, a bank of capacitors, switching elements for connecting the DC voltage source to the terminals of the capacitors and to the load and additionally contains high-resistance resistors through which the power source is constantly connected to the terminals of the capacitors, and the one closest to the source voltage, a capacitor with one terminal is connected to one of the terminals of the power source through a high-resistance resistor, and with the other terminal is connected directly to another terminal of the power source, and subsequent capacitors are constantly connected with both terminals through high-resistance resistors to the one and second terminals of the power source, respectively, and the switching elements are open contacts are connected to the terminals of the capacitors. The switching element in our case is a switch with two open contacts in the initial position, which are electrically connected when the switch is turned on.
В отличие от прототипа предлагаемый преобразователь постоянно подключен к коммутируемым конденсаторам.Unlike the prototype, the proposed converter is permanently connected to switched capacitors.
На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема преобразователя входного постоянного электрического напряжения в удвоенное выходное напряжение. Здесь Еп -источник питания преобразователя; С1 и С2 -коммутируемые конденсаторы; R1, R2 и R3 -высокоомные резисторы; Кн. 1.1 и Кн. 1.2- коммутирующие элементы (коммутаторы); Rн-сопротивление нагрузки (на фиг. 1. не показана). Преобразователь содержит маломощный источник питания, например, часовую батарейку типа CR1015 (выходное напряжение 3 В, рабочий ток 0.5 мА), которая постоянно электрически подключена через высокоомные резисторы R1, R2 и R3 к конденсаторам С1 и С2 и двух коммутаторов Кн. 1.1 и Кн. 1.2, при помощи которых конденсаторы С1 и С2 соединяются между собой последовательно и подключаются к нагрузке Rн. Коммутирующие элементы имеют по два разомкнутых контакта, а число коммутирующих элементов равно числу коммутируемых конденсаторов.In fig. Figure 1 shows a schematic electrical diagram of a converter of input direct electrical voltage into doubled output voltage. Here Ep is the power source of the converter; C1 and C2 are switched capacitors; R1, R2 and R3 are high-resistance resistors; Book 1.1 and Book. 1.2- switching elements (switches); Rn-load resistance (not shown in Fig. 1). The converter contains a low-power power source, for example, a CR1015 watch battery (output voltage 3 V, operating current 0.5 mA), which is constantly electrically connected through high-resistance resistors R1, R2 and R3 to capacitors C1 and C2 and two switches Kn. 1.1 and Book. 1.2, with the help of which capacitors C1 and C2 are connected to each other in series and connected to the load Rн. The switching elements have two open contacts, and the number of switching elements is equal to the number of switched capacitors.
Номиналы резисторов R1, R2 и R3 выбираются из условия, чтобы ток зарядки коммутируемых конденсаторов от батарейки не превышал значения тока, потребляемого часовыми механизмами, обычно, 1-2 мкА. Время зарядки конденсаторов до полного напряжения источника питания составляет десятки минут, после чего ток зарядки практически падает до нуля, при этом срок службы батарейки равен 3-4 года. При таком подключении конденсаторов они все время находятся в режиме готовности и при включении коммутаторов Кн. 1.1 и Кн. 1.2 произойдет последовательное соединение конденсаторов С1 и С2 и через низкоомную нагрузку Rн потечет ток I=2U/Rн, где U-напряжение источника питания Еп. На нагрузке Rн получается удвоенное напряжение. Одновременно ток потечет от заряженного конденсатора С1 через резистор R3. Но этот ток будет незначительным. Например, при сопротивлении резистора R3 равным 2.2 Мом, он не превысит 1,5 мкА, в то время как через резистор нагрузки Rн с сопротивлением в 0.5 Ом потечет ток в начальный момент времени равный 12А. Если ток зарядки конденсаторов будет превышать 2 мкА (при меньшем номинале резисторов R1, R2 и R3), то срок службы батареек уменьшится, что в ряде случаев нежелательно, кроме того при включении коммутатора увеличится ток, проходящий через резисторы с меньшим номиналом, т.е. уменьшится ток на нагрузке, что также нежелательно.The values of resistors R1, R2 and R3 are selected from the condition that the charging current of the switched capacitors from the battery does not exceed the current consumed by the clock mechanisms, usually 1-2 μA. The time it takes to charge the capacitors to the full voltage of the power source is tens of minutes, after which the charging current practically drops to zero, while the battery life is 3-4 years. With this connection of capacitors, they are always in readiness mode even when the Kn switches are turned on. 1.1 and Book. 1.2 there will be a series connection of capacitors C1 and C2 and current I=2U/Rн will flow through the low-resistance load Rн, where U is the voltage of the power supply Ep. At load Rн, double the voltage is obtained. At the same time, current will flow from the charged capacitor C1 through resistor R3. But this current will be insignificant. For example, if the resistance of resistor R3 is equal to 2.2 MΩ, it will not exceed 1.5 μA, while through the load resistor Rн with a resistance of 0.5 Ohm a current will flow at the initial moment of time equal to 12A. If the charging current of the capacitors exceeds 2 μA (with a lower value of resistors R1, R2 and R3), then the service life of the batteries will decrease, which in some cases is undesirable; in addition, when the switch is turned on, the current passing through resistors with a lower value will increase, i.e. . the load current will decrease, which is also undesirable.
На фиг. 2 в качестве примера приведен один из конструктивных вариантов преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах. Здесь 1-печатная плата на которой смонтированы компоненты преобразователя напряжения; 2-коммутируемые конденсаторы в виде параллельно включенных отдельных конденсаторов для получения большого начального номинала емкости (от 47 мкФ до 400 мкФ); 3-источник питания-две последовательно соединенные батарейки (каждая по 3 В); 4-высокоомные резисторы, через которые подается напряжение зарядки на конденсаторы; 5 - выдвижная ручка -чека для включения-коммутирующего устройства 6. В качестве источника питания Еп (см. фиг. 1) используются две последовательно соединенные дисковые батарейки CR1025, а в качестве конденсаторов С1 и С2 по 5 штук параллельно соединенных конденсаторов с целью получения необходимой емкости. В качестве коммутаторов Кн. 1.1 и Кн. 1.2 используются специально разработанные пружинные коммутаторы, контакты которых в исходном положении находящиеся в разомкнутом положении. При вытягивании чеки 5 происходит замыкание контактов коммутирующего устройства 6, коммутируемые конденсаторы 2 соединяются последовательно и подключаются к нагрузке (нагрузка на фиг. 2 не показана). Электронные компоненты смонтированы на печатной плате 1. Преобразователь постоянного электрического напряжения содержит коммутирующие элементы с двумя разомкнутыми контактами и с числом коммутируемых элементов равным числу коммутируемых конденсаторов. Преобразователь напряжения представляет законченное устройство. По сравнению с прототипом преобразователь напряжения дополнительно содержит высокоомные резисторы R1,R2,R3 (см. фиг. 1), через которые источник питания постоянно подключен к конденсаторам С1 и С2, причем ближайший к источнику напряжения конденсатор С1 одним контактом присоединен к одному из выводов источника питания Еп через высокоомный резистор R1, а другим контактом присоединен непосредственно к другому выводу источника питания, а последующие конденсаторы С2 постоянно подключены обеими контактами через высокоомные резисторы R2 к одному и второму выводам источника питания Еп, соответственно. Преобразователь содержит коммутационные элементы с двумя разомкнутыми контактами и с числом коммутирующих элементов равным числу коммутируемых конденсаторов.In fig. 2 shows one of the design options for a voltage converter using switched capacitors as an example. Here is a 1-printed circuit board on which the components of the voltage converter are mounted; 2-switched capacitors in the form of individual capacitors connected in parallel to obtain a large initial capacitance rating (from 47 µF to 400 µF); 3-power source - two batteries connected in series (each 3 V); 4-high-resistance resistors through which charging voltage is supplied to the capacitors; 5 - retractable check handle for turning on the switching device 6. As a power source Ep (see Fig. 1), two CR1025 disk batteries connected in series are used, and capacitors C1 and C2 are 5 pieces of parallel-connected capacitors in order to obtain the necessary containers. As switches Prince. 1.1 and Book. 1.2 specially designed spring switches are used, the contacts of which in the initial position are in the open position. When the pin 5 is pulled, the contacts of the switching device 6 are closed, the switched capacitors 2 are connected in series and connected to the load (the load is not shown in Fig. 2). Electronic components are mounted on printed circuit board 1. The DC-DC converter contains switching elements with two open contacts and a number of switched elements equal to the number of switched capacitors. The voltage converter represents a complete device. Compared to the prototype, the voltage converter additionally contains high-resistance resistors R1, R2, R3 (see Fig. 1), through which the power source is constantly connected to capacitors C1 and C2, and the capacitor C1 closest to the voltage source is connected with one contact to one of the terminals of the source power supply Ep through a high-resistance resistor R1, and the other contact is connected directly to another terminal of the power source, and subsequent capacitors C2 are constantly connected by both contacts through high-resistance resistors R2 to one and the second terminals of the power source Ep, respectively. The converter contains switching elements with two open contacts and a number of switching elements equal to the number of switched capacitors.
По сравнению с прототипом заявляемый преобразователь напряжения обладает следующими преимуществами: -использование маломощных часовых батареек в качестве источника питания, при этом ток зарядки конденсаторов не превышает 1-2 мкА, тем самым срок службы батареек достигает 3-4 года;Compared with the prototype, the inventive voltage converter has the following advantages: - the use of low-power watch batteries as a power source, while the charging current of the capacitors does not exceed 1-2 μA, thereby the battery life reaches 3-4 years;
- преобразователь все время находится в режиме готовности, при заблаговременной установке источника питания не требуется дополнительного времени для зарядки конденсаторов; минимальное количество коммутирующих элементов: для схемы удвоения напряжения требуется два коммутирующих элемента суммарно с 4 электрическими контактами, вместо 3 коммутирующих элементов в прототипе суммарно с 9 электрическими контактами, что повышает надежность работы преобразователя напряжения и преобразователь имеет меньшие габаритные размеры, что важно при размещении на печатной плате.- the converter is in readiness mode all the time; if the power source is installed in advance, no additional time is required to charge the capacitors; minimum number of switching elements: the voltage doubling circuit requires two switching elements with a total of 4 electrical contacts, instead of 3 switching elements in the prototype with a total of 9 electrical contacts, which increases the reliability of the voltage converter and the converter has smaller overall dimensions, which is important when placed on a printed circuit board board
На фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема преобразователя входного постоянного электрического напряжения в выходное напряжение в четыре раза превышающее входное напряжение. Преобразователь содержит маломощный источник питания, например, часовую батарейку типа CR1025 (выходное напряжение 3 В, рабочий ток 0.5 мА), которая постоянно электрически подключена через высокоомные резисторы R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7 к конденсаторам С1,С2,С3 и С4 и 4-х коммутирующих элементов (коммутаторов) K1.1, К1.2, К1.3 и К1.4, при помощи которых конденсаторы С1-С4 соединяются между собой последовательно и подключаются к нагрузке Rн. Преобразователь напряжения работает аналогичным образом, как и преобразователь, изображенный на фиг. 1. В исходном состоянии конденсаторы С1-С4 подключены через высокоомные резисторы к источнику питания и все время находятся в заряженном состоянии. При включении коммутатора К 1.1-К 1.4 происходит последовательное соединение конденсаторов С1-С4 и на нагрузке получается напряжение в 4 раза превышающее входное напряжениеIn fig. Figure 3 shows a circuit diagram of a converter of input DC electrical voltage into an output voltage four times the input voltage. The converter contains a low-power power source, for example, a CR1025 watch battery (output voltage 3 V, operating current 0.5 mA), which is constantly electrically connected through high-resistance resistors R1, R2, R3, R4, R5, R6 and R7 to capacitors C1, C2, C3 and C4 and 4 switching elements (switches) K1.1, K1.2, K1.3 and K1.4, with the help of which capacitors C1-C4 are connected to each other in series and connected to the load Rн. The voltage converter operates in a similar manner to the converter shown in FIG. 1. In the initial state, capacitors C1-C4 are connected through high-resistance resistors to the power source and are always in a charged state. When the switch K 1.1-K 1.4 is turned on, capacitors C1-C4 are connected in series and the load receives a voltage 4 times higher than the input voltage
На фиг. 4 в качестве примера приведен один из вариантов преобразователя напряжения на коммутируемых конденсаторах, на основе принципиальной электрической схемы на фиг. 3. Здесь 1-печатная плата; 2-кондесаторы С1-С4; 3-резисторы R1-R7; 4-чека для коммутатора 5. Элемент питания - часовая батарейка расположена на противоположной стороне печатной платы (не показана). Электронные компоненты смонтированы на печатной плате. Преобразователь напряжения представляет законченное устройство.In fig. 4 shows, as an example, one of the options for a voltage converter using switched capacitors, based on the circuit diagram in FIG. 3. Here is 1 PCB; 2-capacitors C1-C4; 3-resistors R1-R7; 4 pins for switch 5. Battery - a clock battery is located on the opposite side of the printed circuit board (not shown). Electronic components are mounted on a printed circuit board. The voltage converter represents a complete device.
Возможны и другие конструктивные варианты построения преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах с использованием не только часовых батареек, но и других аналогичных источников питания и с напряжением на выходе большим, чем учетверенное входное напряжение за счет применения большего количества конденсаторов и коммутационных элементов.Other design options for constructing voltage converters on switched capacitors are also possible using not only clock batteries, but also other similar power sources and with an output voltage greater than quadruple the input voltage due to the use of a larger number of capacitors and switching elements.
Данные преобразователи были изготовлены и опробованы в работе. В качестве конденсаторов использовались SMD керамические и SMD танталовые конденсаторы с емкостью от 47 мкФ до 220 мкФ. В качестве резисторов использовались ЧИП резисторы с номиналом 2.2 Мом - 4.7 МОм. В качестве коммутирующих элементов использовались специально разработанные миниатюрные пружинные коммутаторы с электрическими контактами, работающими на замыкание. В качестве нагрузки использовались резистивные мостики с сопротивлением от 0.5 Ом до 15 Ом. При подключении к ним коммутируемых конденсаторов с выходным напряжением 12 В по резистивным мостикам протекал ток до 24А, в результате чего резистивный мостик взрывался (перегорал).These converters were manufactured and tested in operation. SMD ceramic and SMD tantalum capacitors with a capacitance from 47 μF to 220 μF were used as capacitors. Chip resistors with a nominal value of 2.2 MOhm - 4.7 MOhm were used as resistors. Specially designed miniature spring switches with electrical contacts operating for closure were used as switching elements. Resistive bridges with resistance from 0.5 Ohm to 15 Ohm were used as loads. When switched capacitors with an output voltage of 12 V were connected to them, a current of up to 24 A flowed through the resistive bridges, as a result of which the resistive bridge exploded (burned out).
Источники информацииInformation sources
1. М.А. Шустов. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3, «Альтекс-А», Москва, с. 17-22, с. 23-24.1. M.A. Shustov. Practical circuit design. Voltage converters. Book 3, “Altex-A”, Moscow, p. 17-22, p. 23-24.
2. Н.М. Катасонов. Способ зарядки конденсаторной батареи. SU1679607A1, опубл.23.09.1991, бюлл.№35.2. N.M. Katasonov. Method of charging a capacitor bank. SU1679607A1, publ.09.23.1991, bulletin No. 35.
3. www.commons.m.wikimedia.org. Simple SC doublers schematic.3. www.commons.m.wikimedia.org. Simple SC doublers schematic.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU221276U1 true RU221276U1 (en) | 2023-10-30 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU221073A1 (en) * | Б. С. Александрович, И. К. Васильева , Р. С. Найвельт | DEVICE FOR MULTIPLICATION OF CONSTANT VOLTAGE | ||
| US3818309A (en) * | 1971-09-21 | 1974-06-18 | M Ichikawa | Dc transformer |
| US3824447A (en) * | 1971-12-03 | 1974-07-16 | Seiko Instr & Electronics | Booster circuit |
| SU451160A1 (en) * | 1972-04-10 | 1974-11-25 | Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова | High voltage source |
| SU758423A1 (en) * | 1978-04-06 | 1980-08-23 | Предприятие П/Я В-8466 | Capacitor dc voltage multiplier |
| SU1769676A1 (en) * | 1990-03-29 | 1996-09-27 | Харьковский физико-технический институт | Dc-to-dc voltage changer |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU221073A1 (en) * | Б. С. Александрович, И. К. Васильева , Р. С. Найвельт | DEVICE FOR MULTIPLICATION OF CONSTANT VOLTAGE | ||
| US3818309A (en) * | 1971-09-21 | 1974-06-18 | M Ichikawa | Dc transformer |
| US3824447A (en) * | 1971-12-03 | 1974-07-16 | Seiko Instr & Electronics | Booster circuit |
| SU451160A1 (en) * | 1972-04-10 | 1974-11-25 | Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова | High voltage source |
| SU758423A1 (en) * | 1978-04-06 | 1980-08-23 | Предприятие П/Я В-8466 | Capacitor dc voltage multiplier |
| SU1769676A1 (en) * | 1990-03-29 | 1996-09-27 | Харьковский физико-технический институт | Dc-to-dc voltage changer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kankanamge et al. | Improving the end-to-end efficiency of DC–DC converters based on a supercapacitor-assisted low-dropout regulator technique | |
| Seeman | A design methodology for switched-capacitor DC-DC converters | |
| KR102125595B1 (en) | Charge-discharge device with equalization function using both convertor and multi-stage voltage doubler rectifier circuit | |
| EP3367537B1 (en) | Energy management method and circuit for friction nano power generator, and device | |
| CN104578326A (en) | Control circuit, integrated circuit, switch-type converter and constant-current control method | |
| Kesarwani et al. | A comparative theoretical analysis of distributed ladder converters for sub-module PV energy optimization | |
| CN1037137C (en) | Automatic charge cut-off circuit and application | |
| RU221276U1 (en) | DC-DC converter based on switched capacitors | |
| JP2007508793A (en) | Boost converter | |
| Wu et al. | Development of a solar-power-based nanogrid system for village huts in Haiti mountain area | |
| TWI376085B (en) | ||
| Mouhadjer et al. | Comprehensive and field study to design a buck converter for photovoltaic systems | |
| Umaz et al. | Design of an inductorless power converter with maximizing power extraction for energy harvesting | |
| Chang et al. | Modeling and implementation of high-gain coupled-inductor switched-capacitor step-up DC-DC converter | |
| Gupta et al. | Power efficient reconfigurable charge pump for micro scale energy harvesting | |
| Chauhan et al. | A High Gain DC-DC Converter based on Switched Capacitor/Switched Inductor Arrangement | |
| Abraham et al. | A novel multiple gain inductorless buck-boost dc-dc converter | |
| Shibata et al. | Energy transmission of switched‐capacitor circuit and application to dc‐dc converter | |
| CN114665709B (en) | Light-load efficient step-down circuit | |
| Negm et al. | Component Evaluation and PSpice Modeling for Charge Pump Based Cell Voltage Balancer Development | |
| RU2306652C2 (en) | Charging-discharging device | |
| CN221151207U (en) | Cascaded boost module and application circuit thereof | |
| Shenoy et al. | Sustainable off-grid electricity generation system for low power lighting in remote locations | |
| JP3892752B2 (en) | Electric double layer capacitor charger | |
| CN218301004U (en) | Super capacitor-based continuous power supply circuit after power failure |