Układy z przełączaną pojemnością - dużo korzyści, niewielka komplikacja
| TechnikaW układach z przełączaną pojemnością (switched capacitor) wykorzystywane są przepływy ładunków pomiędzy kondensatorami regulowane przez odpowiednie załączanie i wyłączanie kluczy sterowanych w takt nienakładających się sygnałów zegarowych. Pozwala to symulować rezystancję. To z kolei umożliwia realizację filtrów RC zbudowanych tylko z kondensatorów.
Na rysunku 1 przedstawiono przykład układu z przełączaną pojemnością. W obwodzie tym kondensator C1 jest przełączany z wykorzystaniem kluczy tranzystorowych sterowanych przez sygnały zegarowe o częstotliwościach f1 i f2. W tym przypadku można przyjąć założenie, że ładunek przenoszony w jednym cyklu pozostaje stały przez wiele cykli. To pozwala na uśrednienie prądów i rezystancji.
W pracy układu z rysunku 1 można wyróżnić dwa etapy. W pierwszym przełącznik 1 jest zamknięty, a przełącznik 2 otwarty. W takiej konfiguracji ładunek przepływa z węzła U1 do kondensatora.
W drugim etapie przełącznik 1 otwiera się, zaś przełącznik 2 zostaje zamknięty. Wtedy kondensator C1 jest przełączany do węzła U2 i będzie się ładował albo rozładowywał, aż jego napięcie osiągnie wartość U2.
Wartość przekazanego ładunku w poszczególnych etapach wyrażają następujące zależności:
Całkowitą zmianę ładunku opisuje formuła:
Ponieważ prąd definiuje się jako zmianę ładunku w czasie, czyli w tym przypadku w jednym okresie zegara, można obliczyć średnią wartość prądu na przełączanym kondensatorze z zależności:
Z powyższego równania można wyznaczyć zastępczą rezystancję obwodu:
Symulowanie rezystorów w układzie z przełączaną pojemnością ma liczne zalety. Przede wszystkim można uzyskać precyzyjnie kontrolowaną rezystancję, która zależy tylko od częstotliwości zegara i pojemności kondensatora. Pozwala to zaoszczędzić miejsce, ponieważ rezystory o dużej rezystancji zajmują dużo miejsca na PCB.
Kolejna korzyść to ograniczenie niedopasowania między rezystorami i kondensatorami w filtrach. Dopasowanie podobnych podzespołów (kondensatora z kondensatorem) jest zwykle łatwiejsze niż w przypadku komponentów różnego typu (kondensator z rezystorem). Dzięki temu filtry RC, które są zbudowane wyłącznie z kondensatorów, mają stabilniejsze charakterystyki częstotliwościowe.
Poza tym, ponieważ wartość rezystancji zrealizowanej w układzie z przełączaną pojemnością zależy tylko od wartości pojemności kondensatora i częstotliwości przełączania, możliwe jest dynamiczne kształtowanie charakterystyki częstotliwościowej filtra poprzez regulację częstotliwość zegara. W oparciu na obwodach z przełączaną pojemnością konstruuje się także pompy ładunku (charge pump).
Pompy ładunku
Pompy ładunku to konwertery napięcia DC/DC z siecią elementów przełączających (diod, kluczy tranzystorowych) do przenoszenia ładunku z jednego elementu magazynującego na drugi. To skutkuje podwyższeniem napięcia wyjściowego. Do magazynowania energii wykorzystywane są kondensatory, a nie cewki indukcyjne ani transformatory. Dlatego pompy ładunku są popularne w przenośnych urządzeniach elektronicznych, w których ograniczone przestrzeń oraz dostępność zasilania utrudniają korzystanie z obwodów podwyższających napięcie z transformatorami.
Przykłady urządzeń, które wymagają podwyższania napięcia i są zamykane w małej obudowie, to: smartfony, odtwarzacze muzyki, laptopy. Poza tym pompy ładunku są również wykorzystywane w układach motoryzacyjnych, takich jak wtryskiwacze paliwa i układy zapłonowe i w systemach oświetlenia LED.
Koncepcję konwerterów napięcia z przełączaną pojemnością opracowano już w latach 30. zeszłego wieku. Dopiero jednak wraz z rozwojem technologii tranzystorów zaczęły się upowszechniać.
Pompy ładunku dodatniego
Łącząc szeregowo kilka naładowanych kondensatorów, można podwyższyć napięcie na wyjściu. Nie jest to jednak efektywne, ponieważ kondensatory muszą zostać natychmiast doładowane, gdy tylko rozładują się na obciążeniu.
Alternatywą jest obwód jak na rysunku 2. W tym układzie dioda jest połączona szeregowo ze źródłem napięcia stałego i równolegle z kondensatorem. Kondensator jest z kolei podłączony do źródła napięcia prostokątnego zmieniającego się w zakresie od zera do U.
Początkowo, przy napięciu ze źródła fali prostokątnej równym 0 dioda jest włączona, a kondensator ładuje się do osiągnięcia napięcia U. Przy napięciu ze źródła fali prostokątnej równym U dioda jest wyłączana, gdyż napięcie na katodzie jest większe niż na anodzie. Ostatecznie napięcie na wyjściu będzie równe 2U.
Kiedy jednak napięcie fali prostokątnej spadnie do zera, napięcie wyjściowe znów będzie wynosić U. Taki stan jest niepożądany.
Alternatywą jest uzupełnienie obwodu z rysunku 2 o diodę i kondensator w konfiguracji jak na rysunku 3. W takim układzie źródło napięcia stałego ładuje najpierw oba kondensatory do U (gdy napięcie fali prostokątnej wynosi zero). Następnie, kiedy napięcie fali prostokątnej osiągnie wartość szczytową, napięcie na pierwszym kondensatorze wzrośnie do 2U. Wówczas drugi z kondensatorów zostanie naładowany napięciem 2 U. Oznacza to, że napięcie na obu kondensatorach będzie takie samo. I chociaż napięcie fali prostokątnej spadnie do zera, napięcie wyjściowe nadal będzie wynosić 2 U. W efekcie obwód z rysunku 3 podwaja napięcie wejściowe.
Potrajanie napięcia
W rzeczywistości trzeba uwzględnić spadek napięcia na diodzie (w przypadku diod krzemowych wynosi on typowo Ud = 0,6 – 0,7 V). Chociaż wspomniane napięcie jest małe, może mieć wpływ na wartość napięcia wyjściowego. Jeżeli uwzględniony zostanie spadek napięcia na diodzie, napięcie wyjściowe wyniesie 2U – 2Ud. Ponadto w razie obecności obciążenia spodziewać się można tętnień napięcia wyjściowego, nieznacznych, jeśli prąd obciążenia będzie wystarczająco mały.
Dodając kolejny stopień do obwodu z rysunku 3, napięcie wejściowe można na wyjściu potroić (rys. 4). W tym przypadku jest jednak wymagane odwrócenie sygnału fali prostokątnej. W tym celu częścią obwodu jest bramka negująca, która jest połączona szeregowo z drugim kondensatorem. Zasada pracy tego układu jest analogiczna, jak tego podwajającego napięcie wejściowe – gdy napięcie na drugim kondensatorze osiągnie 2U, odwrócone napięcie prostokątne spowoduje wzrost napięcia na trzecim kondensatorze do 3U. Podobnie też na ostateczne napięcie na wyjściu wpłyną spadki napięcia na diodach, a prąd obciążenia może powodować tętnienia napięcia wyjściowego.
Opisane dotychczas obwody stanowią pompy ładunku dodatniego. Możliwe jest jednak również uzyskanie ujemnego napięcia wyjściowego.
Pompy ładunku ujemnego
Obwód wytwarzania napięcia ujemnego różni się w porównaniu z pompą ładunku dodatniego pod względem umiejscowienia diod i kondensatorów. Jak wynika z rysunku 5 dioda jest połączona z masą. Napięcie wyjściowe to napięcie na diodzie, a napięcie wejściowe to napięcie na kondensatorze.
Gdy napięcie wejściowe wynosi zero, napięcie wyjściowe też wynosi zero, a dioda jest wyłączona. Gdy napięcie wejściowe osiągnie wartość szczytową, dioda zostanie włączona. Napięcie wyjściowe nadal będzie wtedy wynosić zero, gdyż dioda zwiera wyjście. Kiedy napięcie wejściowe spadnie do zera, dioda zostanie wyłączona, a napięcie wejściowe będzie odejmowane od napięcia zerowego na wyjściu. Zatem napięcie wyjściowe będzie wynosić –U. W takiej konfiguracji napięcie wyjściowe nie będzie jednak stałe i będzie oscylować od zera do –U. Aby to zmienić do obwodu z rysunku 5 należy dodać kolejny zestaw diod i kondensatorów.
Na rysunku 6 został przedstawiony obwód z dwoma diodami, dwoma kondensatorami i jednym źródłem fali prostokątnej na wejściu. By ustabilizować napięcie wyjściowe, drugi kondensator jest ładowany do –U. Dlatego napięcie wyjściowe wynosi nadal –U, podczas gdy napięcie fali prostokątnej maleje do zera.
Obwód ten można jeszcze ulepszyć, aby uzyskać podwójne napięcie ujemne (–2U), jak pokazano na rysunku 7. W tym przypadku do drugiego stopnia układu należy podłączyć odwróconą falę prostokątną, aby obniżyć napięcie. Na przykład, jeśli napięcie wejściowe oscyluje między zerem a 9 V, napięcie wyjściowe wyniesie –18 V. Analogicznie jak w przypadku pompy ładunku dodatniego, pod uwagę należy wziąć spadek napięcia na diodach oraz to, że prąd obciążenia może powodować tętnienia napięcia wyjściowego.
Monika Jaworowska
