Перетворювач для живлення побутової апаратури. Схема, опис

Безкоштовна технічна бібліотека

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Перетворювач для живлення побутової апаратури

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Перетворювачі напруги, випрямлячі, інвертори

Коментарі до статті

До уваги читачів пропонуємо опис резервного перетворювача для живлення побутової апаратури за відсутності напруги в освітлювальній мережі. Його відмінна риса - наявність двох щаблів перетворення: високочастотної та низькочастотної, що дозволило суттєво зменшити габарити та масу пристрою.

Сьогодні відзначається підвищений інтерес до розробки та виготовлення потужних перетворювачів для живлення різної побутової апаратури від акумуляторних батарей. Багато в чому цьому сприяють два чинники. По-перше, різного роду обмеження та перебої в електропостачанні, що стали останнім часом у багатьох регіонах країни звичайною практикою. По-друге, сучасні досягнення у галузі промислового виробництва спеціалізованих електронних компонентів для перетворювальної техніки. До них слід в першу чергу віднести потужні швидкодіючі польові транзистори з властивими їм простотою управління та малими втратами у включеному стані, а також широкий спектр інтегральних ШІМ-контролерів, що є, по суті, однокристальними вузлами управління перетворювачами. Немаловажний також і той факт, що останнім часом подібна елементна база стала доступною для рядового радіоаматора як у плані номенклатури, так і вартості. В результаті чого з'явилася можливість розробляти перетворювальні пристрої, що містять малу кількість деталей і водночас мають високі енергетичні та експлуатаційні характеристики.

Описи подібних перетворювачів неодноразово публікувалися на сторінках "Радіо" [1, 2] та у відповідній технічній літературі [3, 4]. Відмінна риса цих пристроїв - усі вони працюють на низькій частоті перетворення (як правило, 50 Гц). Це викликано необхідністю забезпечити відповідність вихідних параметрів перетворювачів частотним характеристикам побутової електромережі, оскільки існує великий клас електроприладів, що вимагають наявності змінної напруги живлення. До таких, наприклад, належать усі споживачі, що містять мережевий трансформатор або різного роду електродвигуни змінного струму.

У той же час вибір низької частоти перетворення викликає певні складності конструктивного та експлутаційного характеру: виготовлення потужного вихідного трансформатора, що в основному визначає масогабаритні показники всього пристрою, та характерне "гудіння" перетворювача в процесі його роботи.

Крім того, описані перетворювачі, як правило, не забезпечені вузлами стабілізації вихідної напруги в залежності від потужності підключеного до них навантаження або ступеня розрядженості акумуляторної батареї. Внаслідок чого можливі зміни амплітуди вихідної змінної напруги у досить широких межах (до 30...40 %), що не завжди сприятливо позначається на споживачах.

Все сказане вище зумовило конструкцію пропонованого перетворювача, розробленого з урахуванням зазначених недоліків, властивих вже існуючим пристроям. Функціонально перетворювач складається з двох основних частин: потужного високочастотного інвертора, що підвищує, з вихідним випрямлячем і низькочастотного інвертора-комутатора.

Основні технічні характеристики

Максимальна вихідна потужність, Вт.....200
Вхідна напруга живлення акумуляторної батареї, В.....12
Ефективне значення вихідної змінної напруги прямокутної форми у всьому інтервалі потужностей, В.....220 ±3
Частота вихідної напруги, Гц.....50
ККД перетворювача, % ..... 78
Габарити, мм.....200x120x120
Маса (без акумуляторної батареї), кг.....3,5

Схема пристрою показано на рис. 1. Високочастотний інвертор виконаний за схемою двотактного прямоходового перетворювача на транзисторах VT1-VT4 та трансформаторі Т1. До переваг такого рішення слід віднести низький рівень пульсацій, краще використання комутувальних транзисторів по струму і вищий ККД, ніж у перетворювачів, зібраних за мостовою схемою. Демпфуючі елементи VD2, VD3, R1, C3 застосовані для зниження амплітуди викидів напруги при перемиканнях та полегшення режиму роботи транзисторів.

(Натисніть для збільшення)

Захист інвертора від перевантаження або замикання на виході виконана на основі включеного в первинний силовий ланцюг струмового реле К1. Воно виконано на основі геркона з однією групою замикаючих контактів, поміщеного в центр котушки свитої з одного-двох витків дроту живлення, що йде від плюсового виведення акумуляторної батареї. При цьому внутрішній опір такого реле дуже мало і ніякого впливу на роботу перетворювача в штатному режимі не надає. У разі перевантаження контакти геркона замикаються, подаючи відповідний сигнал спрацьовування захисту на вузол управління ВЧ інвертором А1. Швидкодія струмового захисту становить 1...2 мс.

Випрямляч вихідної напруги виконаний за бруківкою на діодах VD4-VD7, що також дозволяє знизити рівень пульсацій і підвищити коефіцієнт використання імпульсного трансформатора Т1. Випрямлена напруга надходить на фільтр, що згладжує L1C5-С7. Сигнал зворотного зв'язку по напрузі, необхідний для роботи вузла управління ВЧ інвертором А1, знімають з дільника резистивного напруги R3-R5.

Стабілізовану постійну напругу подають на низькочастотний інвертор-комутатор, виконаний за схемою повного моста транзисторах VT5-VT8. Формована комутатором змінна напруга прямокутної форми мережевої частоти надходить на навантаження перетворювача. Режим роботи комутатора визначає вузол управління НЧ інвертором А2. Керують транзисторами VT5-VT8 ідентичні драйвери А4-А7, що гальванічно ізольовані від інших вузлів перетворювача.

"Серце" ВЧ інвертора - мікросхема ШІМ-контролера КР1156ЕУ2 [5] (закордонний аналог - UC3825 фірми Unitrode [6]), яка розроблена спеціально для управління двотактними імпульсними джерелами живлення з високою частотою перемикання, що працюють із зворотним зв'язком з напруги або струму.

Схема вузла управління ВЧ інвертором А1 показано на рис. 2.

Перетворювач для живлення побутової апаратури

Частоту внутрішнього генератора, що задає, контролера визначають номінали зовнішніх елементів - резистора R9 і конденсатора С9, і при зазначених значеннях вона становить приблизно 50 кГц. Необхідний для роботи сигнал пилкоподібної форми, що формується на конденсаторі С9 надходить на вхід RAMP мікросхеми.

На прямий вхід IN підсилювача сигналу помилки (УСО) всередині мікросхеми подано напругу від зразкового джерела +5 В. Частина вихідної напруги інвертора, випрямлена діодним мостом VD4-VD7, з дільника резистивного R3-R5 надходить на інвертуючий вхід IN УСО. Коефіцієнт посилення УСО в області низьких частот залежить від опору резисторів R10, R11 і дорівнює 100. Конденсатор С11 призначений для корекції частотної характеристики підсилювача в області високих частот з метою підвищення стійкості системи широтно-імпульсного регулювання.

Зміна ширини вихідних керуючих імпульсів відбувається в результаті порівняння внутрішнім компаратором контролера напруги пилкоподібної форми, що діє на вході RAMP, з вихідною напругою УСО.

Сформовані керуючі імпульси з частотою проходження 25 кГц з виходів OUTA і OUTB надходять на транзистори відповідно VT1, VT2 та VT3, VT4.

Конденсатор С10 визначає роботу вузла "м'якого" запуску контролера. У момент включення живлення конденсатор починає заряджатися від джерела струмом 9 мкА, при цьому зростання напруги на виведенні SS у міру його заряджання забезпечує плавне збільшення тривалості робочого циклу контролера.

Як очевидно з основний схеми (див. рис. 1), у разі виникнення навантаження перетворювача спрацьовує струмове реле К1, замикаючи контакти геркона К1.1. При цьому відкривається триністор VS1, викликаючи включення світлодіода HL1 "Захист", а також поява падіння напруги близько 2 на резисторі R8. Ця напруга виявляється доданою до входу SD контролера, тим самим переводячи його в режим блокування. Виходи OUTA, OUTB мікросхеми DA1 перемикаються у високоімпедансний стан, і комутують транзистори VT1-VT4 закриваються. Для того, щоб після усунення перевантаження повернути пристрій у робочий стан, потрібно відключити на деякий час живлення перетворювача.

Параметричний стабілізатор R12VD8 обмежує напругу живлення контролера значенням 12 Ст.

Вузол живлення драйверів А2 є малопотужним імпульсним перетворювачем, виконаний за схемою рис. 3.

Перетворювач для живлення побутової апаратури

На логічних елементах DD1.1, DD1.2 зібраний генератор, що задає, що виробляє імпульси з частотою прямування близько 100 кГц. Далі слідує дільник частоти на 4, виконаний на тригерах мікросхеми DD2.

Імпульси з інверсних виходів тригерів DD2.1, DD2.2 та прямого виходу тригера DD2.2 надходять на логічні елементи DD1.3 та DD1.4. З виходів цих елементів сформовані керуючі імпульси з частотою проходження приблизно 25 кГц подаються на транзистори VT9 і VT10, комутують струм первинної обмотки трансформатора Т2.

Схема вузла управління НЧ інвертором A3 показано на рис. 4.

Перетворювач для живлення побутової апаратури

На інтегральному таймері DA2, включеному за типовою схемою, зібраний генератор, що задає. Частоту повторення імпульсів, що генеруються, визначають елементи С17, R23, R24. Для вказаних номіналів вона становить 100 Гц. Сигнал з генератора надходить на дільник частоти 2, зібраний на тригері DD3.1, що виконує функцію формувача парафазного сигналу. Далі з формувача імпульси частотою 50 Гц подаються на логічні елементи DD4.1, DD4.2, з виходу яких через транзистори VT11, VT12 надходять відповідні світлодіоди оптопар драйверів (А4-А7).

Одновібратор, зібраний на тригері DD3.2 призначений для отримання паузи між керуючими імпульсами. Наявність такої паузи необхідно, щоб запобігти виникненню наскрізного струму в плечах транзисторного мосту VT5-VT8. Тривалість паузи, що формується, визначають номінали елементів С19, R25, R26, і для зазначених на схемі вона становить близько 1 мс.

Драйвери А4-А7 управління комутуючими транзисторами VT5-VT8 низькочастотного інвертора виконані за ідентичними схемами рис. 5.

Перетворювач для живлення побутової апаратури

Керуючий сигнал подається на драйвер через діодну оптопар U1, що забезпечує гальванічну розв'язку від вузла управління НЧ інвертором. Далі після підсилювача на транзисторі VT13 сигнал надходить на комплементарний вихідний каскад VT14VT15, навантажений безпосередньо на ланцюг затвора комутованого транзистора VT5. Драйвер живиться від малопотужного імпульсного перетворювача А2 через трансформатор Т3, що розв'язує, і діодний міст VD15 зі згладжуючим фільтром С21. Ланцюг R34VD14 обмежує максимальну напругу на затворі польового транзистора на рівні 15 Ст.

В авторському варіанті перетворювач зібраний у металевому корпусі відповідного розміру – 200x120x120 мм. Зовнішній вигляд пристрою показано на рис. 6.

Перетворювач для живлення побутової апаратури

Усі функціональні вузли перетворювача зібрані окремих друкованих платах, крім силових елементів. Особливу увагу слід звернути на топологію розведення друкованої плати ШІМ-контролера, намагаючись не допускати близького взаємного розташування провідників вхідних та вихідних ланцюгів, а також наскільки можна мінімізувати їх довжину. Друковану плату для цього вузла рекомендую виконати із двосторонньо фольгованого склотекстоліту, використовуючи фольгу на одній із сторін як загальний дроти.

Тепловиділяючі елементи VT1 - VT4 високочастотного інвертора, а також трансформатор Т1, конденсатори С1, С2 та демпфуючі елементи VD2, VD3, R1, C3 змонтовані на задній стінці корпусу, виготовленої із суцільної дюралюмінієвої пластини розмірами 120x120. Монтаж виконаний мідним дротом (шиною) перетином 8 мм10. Задня стінка із зовнішнього боку забезпечена вертикально розташованими ребрами, таким чином, ефективна площа робочої поверхні отриманого тепловідведення становить близько 2 см600. Місце, що залишилося на задній стінці приладу відведено під клеми для підключення акумуляторної батареї і плавкий запобіжник FU2. Транзистори VT1-VT5 мають невеликі тепловідведення, площею близько 8 мм==50 кожен.

Замість зазначених на схемі транзисторів IRFZ34N (VT1-VT4) підійдуть IRFZ44, BUZ11, КП723А або будь-які інші MOSFET з індукованим n-каналом, максимальним струмом стоку не менше 35 А, максимальним напругою не менше 55 В 0,04 Ом. Замість транзисторів IRF820 (VT5-VT8) допустимо використовувати IRF830, BUZ90, КП707Б1 або інші відповідної структури з максимальним струмом стоку не менше 2 А і максимальною напругою сток-виток не менше 400 В. Транзистори КТ972Т9 12 +КТ829 з будь-якими буквеними індексами. На місці інших транзисторів можна використовувати будь-які малопотужні біполярні відповідної структури.

Діоди КД226Г (VD4-VD7) можна замінити КД226Д.

Оксидні конденсатори С1, С2, С5, С6 – К50-24, К50-27, здатні працювати в ланцюгах із значними пульсаціями струму. Інші оксидні конденсатори, що використовуються у пристрої, - К50-6, К50-16, К53-14А, неполярні - будь-які керамічні, наприклад, КМ-5, КМ-6, К10-17.

Вимикач Q1 - будь-який, розрахований на номінальний струм не менше 20 А. Токове реле К1 виготовляють на основі геркона КЕМ-1 або аналогічного з однією парою контактів, що замикають, що має можливо менший час спрацьовування. Геркон поміщають у тонкостінну циліндричну трубку з немагнітного матеріалу відповідного діаметра. Поверх трубки намотують обмотку реле, що містить один-два витки. Точну кількість витків підбирають при налагодженні.

Дросель L1 виконують на основі магнітопроводу Б28 з фериту М2000НМ. На каркас котушки намотують обмотку до заповнення дротом ПЕВ-2 0,9. При складанні між частинами магнітопроводу поміщають прокладку з немагнітного матеріалу завтовшки 0,1 мм. Індуктивність такого дроселя – близько 1 мГн.

Трансформатор Т1 намотують на двох складених разом кільцевих магнітопроводів К65х40х6 з фериту М4000НМ. Обмотка I містить 2x6 витків із 60 провідників ПЕВ-2 0,35, а обмотка II - 220 витків дроту ПЕВ-2 0,9. Перед намотуванням гострі кромки магнітопроводу слід заокруглити. Обмотку II намотують першою, виток до витка. Потім укладають міжобмотувальну ізоляцію, поверх якої розташовують обмотку I. Щоб зменшити індуктивність розсіювання, її намотують у два дроти (у два джгути по 60 провідників) і рівномірно розподіляють по магнітопроводу. Для первинної обмотки можна використовувати джгут, сформований з мідної обплетення коаксіального кабелю, що екранує, (5...7 мм2) перерізу. Щоб забезпечити міжвіткову ізоляцію, джгут поміщають у трубку з ізоляційного матеріалу (наприклад, поліхлорвінілову) відповідного діаметра. Середню точку первинної обмотки одержують, з'єднуючи початок однієї напівобмотки з кінцем іншої.

Трансформатор Т2 виконаний на кільці К28х16х9 із фериту М2000НМ. Обмотки містять: первинна – 2x20, а вторинна – 20 витків дроту ПЕВ-2 0,4. Спочатку намотують, як і в трансформаторі Т1, вторинну обмотку, а поверх неї - у два дроти - первинну.

З'єднуючи початок однієї напівобмотки з кінцем іншої, одержують середню точку.

Кожен трансформатор живлення драйвера ТЗ (їх доведеться виготовити чотири) намотують на кільці К20х12х6 із фериту М2000НМ. Обмотки містять: первинна – 30, вторинна – 40 витків дроту ПЕВ-2 0,28. Вторинну обмотку намотують першою.

Для налагодження перетворювача потрібно джерело постійної напруги 10...15 В з вихідним струмом 5... 10 А. З цією метою можна використовувати зарядний пристрій автомобільних акумуляторних батарей, бажано забезпечене захистом від перевантаження по вихідному струму. Високочастотну та низькочастотну частини перетворювача налагоджують окремо.

Після складання високочастотної частини пристрою слід переконатися у правильному та якісному монтажі. Потім двигун змінного резистора R4 встановлюють у верхнє за схемою положення. Через струмообмежуючий резистор опором 10 Ом та потужністю 5 Вт на пристрій подають живлення. При цьому струм холостого ходу не повинен перевищувати 300 мА, а напруга на виході випрямляча VD4-VD7 повинна знаходитися в межах 190...200 В. Переміщуючи двигун змінного резистора R4, опором близько 0,5 Ом і підбирають число витків так, щоб геркон спрацьовував при струмі приблизно 25 А. Після цього струмове реле підключають до пристрою та налагоджують високочастотну частину, живлячи її від акумуляторної батареї. Поступово збільшуючи потужність навантаження, що підключається до випрямляча VD4-VD7 до 200 Вт, контролюють споживаний струм, вихідна напруга і тепловий режим роботи перетворювача. При тривалій роботі температура тепловідведення повинна перевищувати 60 °С. На цьому налагодження високочастотної частини пристрою вважатимуться закінченою.

Вузол живлення драйверів і самі драйвери при безпомилковому монтажі не потребують налагодження. Налагодження вузла управління НЧ інвертором полягає у встановленні частоти тактового генератора (100 Гц) підстроювальним резистором R23 і тривалості паузи між вихідними імпульсами (близько 1 мс) підстроювальним резистором R26. Після складання повністю низькочастотної частини перетворювача на її вхід (з урахуванням полярності) подають постійну напругу 10...15, контролюючи при цьому за допомогою осцилографа вихідна змінна напруга на резисторі R6. Вихідний сигнал, що спостерігається, повинен бути прямокутним, симетричним зі шпаруватістю 2, без видимих спотворень. У разі потреби проводять додаткове регулювання тривалості паузи між напівперіодами меандру підстроювальним резистором R26. На цьому налагодження низькочастотної частини перетворювача завершено.

Далі високочастотну і низькочастотну частини підключають один до одного і контролюють працездатність перетворювача цілком у всьому інтервалі потужностей, при необхідності регулюючи вихідну змінну напругу 220 змінним резистором R4. Вимірювати вихідну напругу слід стрілочним приладом, що показує ефективне (діюче) значення!

Насамкінець хотілося б відзначити, що пропонований пристрій легко адаптувати під необхідні вихідні характеристики. Підбором коефіцієнта поділу резистивного дільника R3-R5 можлива установка іншої вихідної напруги (наприклад, 127), а зміною номіналів елементів С17, R24 можна отримати інші значення вихідної частоти (наприклад, 400 Гц).

література

Володін В. Джерело безперебійного харчування. – Радіо, 2001, № 5, с. 35-38; №6, с. 44-46.
Гореславець А. Перетворювачі напруги на мікросхемі КР1211ЕУ1. – Радіо, 2001, № 5, с. 42, 43.
Шелестов І. Радіоаматорам: корисні схеми, ч. 2. - М: Солон-Р, 1999.
Семенов Б. Силова електроніка для любителів та професіоналів. - М: Солон-Р, 2001.
Мікросхеми для імпульсних джерел живлення та їх застосування. Довідник - М: Додека, 1997.
.

Автор: І.Полей, м.Южно-Сахалінськ

Дивіться інші статті розділу Перетворювачі напруги, випрямлячі, інвертори.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Процесор ARM Cortex-A12 виготовлений за техпроцесом 28nm-SLP 24.03.2014

На заході CDNLive Silicon Valley 2014 компанії Cadence Design Systems та Globalfoundries повідомили про готовність першої пробної мікросхеми з чотириядерним процесором ARM Cortex-A12, виготовленою з використанням техпроцесу 28nm-SLP (Super Low Power 28нм High-K Metal).

Процесор реалізований із застосуванням інструментальних засобів Cadence та технології ARM POP. Він працює на частоті до 2 ГГц, при цьому енергоспоживання та площа кристала залишилися у типових для таких мобільних процесорів межах.

У Cadence та Globalfoundries готовий перший пробний процесор ARM Cortex-A12, виготовлений за техпроцесом 28nm-SLP
Перехід на Cortex-A12 із Cortex-A9 забезпечує приріст продуктивності на 40% без збільшення енергоспоживання.

Успішний випуск Cortex-A12 із застосуванням техпроцесу 28nm-SLP сприятиме впровадженню нового процесора в однокристальні системи для смартфонів та планшетів.

Інші цікаві новини:

▪ Мікросхема, що поєднує USB Type-C і PD 2.0

▪ Рекорд перельоту птаха

▪ Твердотільні накопичувачі SanDisk X210 зі швидкістю читання 505 МБ/с

▪ Надмініатюрний широкосмуговий детектор потужності LTC5508

▪ Виміряно значення крутного моменту Казимира

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Радіо - початківцям. Добірка статей

▪ стаття Чи не бачимо щодня гробів, сивини старіючого всесвіту? Крилатий вислів

▪ стаття Які великі розміри зірок? Детальна відповідь

▪ стаття Золотий корінь. Легенди, вирощування, способи застосування