Menu English Ukrainian Russian Home

Бесплатная техническая библиотека для любителей и профессионалов Бесплатная техническая библиотека


Мощный преобразователь напряжения 24/12 вольт с высоким КПД. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатная техническая библиотека

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы

Комментарии к статье Комментарии к статье

Почти вся автомобильная техника (магнитолы, телевизоры, холодильники, даже лампы подсветки!) рассчитана на 12 В ±2...3 В и при прямом включении в сеть 24 В мгновенно выходит из строя.

Самый простой выход - более-менее симметрично запитать устройства от "половинок" штатного аккумулятора (например, магнитолу - от одного 12-вольтового аккумулятора, а телевизор - от того), но полной симметричности при этом добиться невозможно в итоге один из аккумуляторов будет постоянно перезаряжаться а другой - недозаряжаться. и в итоге срок службы обоих аккумуляторов резко уменьшится. Поэтому единственный выход - понижать преобразователь напряжения до необходимых для такой аппарат ры 12 В. Для современной автомагнитолы на максимальной громкости необходим ток 2...4 А, ЖКИ-телевизору - около 1 А, поэтому с учетом запаса выходной ток преобразователя должен быть в районе 5...10 А. При этом нагрев силовых элементов схемы должен быть минимален (то есть КПД - максимально возможный), так как автомобильная техника часто эксплуатируется в жарком климате да и сама по себе сильно нагревается.

Схема такого преобразователя показана на рис. 1.11.

На таймере DD1.1 собран тактовый генератор, его короткие импульсы с вывода 5 запускают ШИМ - модулятор на таймере DD1.2. Из-за внутренних особенностей микросхемы 555 длительность запускающих импульсов по входу S должна быть минимально возможной, поэтому генератор на DD1.1 несимметричный - сопротивление резистора R1 (через который конденсатор С1 разряжается) в сотни раз меньше сопротивления R2 В большинстве случаев выводы R1 вообще можно закоротить, но лучше не рисковать и впаять резистор небольшого сопротивления (100...330 Ом).

Мощный преобразователь напряжения 24/12 вольт с высоким КПД
Рис. 1.11. Электрическая схема преобразователя (нажмите для увеличения)

Принцип работы устройства

Модулятор собран на таймере DD1.2 по обычной схеме при уменьшении напряжения на входе REF уменьшается длительность единичных импульсов (при неизменном периоде) на выходе, то есть уменьшается выходное напряжение. Терморезистор R4 обеспечивает защиту от перегрева при нагреве радиатора ключевых транзисторов выше 80...100°С его сопротивление уменьшается ниже порога переключения микросхемы по входу RES (1.0 B), и на выходе микросхемы принудительно устанавливается логический нуль до тех пор, пока транзисторы не остынут. При этом оба ключевых транзистора закрыты, напряжение на выходе пропадает.

Микросхема имеет небольшой гистерезис переключения (около 40 мВ) по входу RES, поэтому при надежном тепловом контакте терморезистора с радиатором никакого дребезга переключения нет; для дополнительной защиты от наводок в схему добавлен конденсатор С3, его емкость желательно увеличить до сотни микрофарад.

В качестве драйвера силовых транзисторов выбрана микросхема IR2103 (DD2). Для данного устройства эта микросхема идеально подходит по всем параметрам и при этом имеет не слишком высокую стоимость. Один из ее входов прямой, второй инверсный; это позволило сэкономить на внешнем инверторе.

В микросхему встроены логика, препятствующая одновременному отпиранию обоих транзисторов (сквозные токи), и генератор пауз ("мертвое время", dead time) между импульсами на выходах это позволило до минимума сократить количество внешних элементов и не заниматься построением защиты на дополнительных логических элементах. Также у микросхемы достаточно мощные для непосредственного управления выходными полевыми транзисторами выходы благодаря чему сэкономлены 4 внешних транзистора в эмиттерных повторителях и "изюминка" микросхемы - "плавающее" напряжение верхнего уровня (разность напряжений может достигать 600 В!) с полной электрической развязкой внутри самой микросхемы. Без этой "фишки" схему пришлось бы сильно усложнять, вводя быстродействующий (и дорогой) оптрон и еще десяток элементов.

Микросхема включена по типовой схеме, выводы 2 и 3 можно соединить друг с другом, но лучше оставить цепочку R6 С4 для корректной работы преобразователя при срабатывании термозащиты. Иначе в этой ситуации транзистор нижнего уровня будет постоянно открыт и закоротит выход. Вывод Vs - общий провод высоковольтной (изолированной) части, вывод V, ее вывод питания (+10...+20 В). В данной схеме пока открыт нижний по схеме транзистор (VT2), Vs соединен с общим проводом, и конденсатор С5 заряжается через диод VD1 почти до напряжения питания. Через некоторое время VT2 закроется, но заряд на конденсаторе С5 останется, так как ток утечки крайне мал. Когда на вход HIN поступит логическая единица, выход НО соединится внутренним транзистором с выводом V, то есть конденсатор зарядит затвор транзистора VT1, и он откроется. Ток утечки затвора транзистора крайне мал, а его емкость в сотни раз меньше емкости С5, поэтому транзистор отпирается до насыщения, и КПД схемы получается максимально возможным. В следующем такте С5 снова подзаряжается.

Регулятор напряжения собран на транзисторе VT3. Как только выходное напряжение превысит 12 В, через стабилитрон VD2 потечет ток, транзистор приоткроется и понизит напряжение на входе REF модулятора. Длительность единичных импульсов станет чуть меньше, и наступит динамический баланс. Конденсаторы С7 или С8 нужны для подавления шумов стабилитрона и транзистора, впаивать нужно только один из этих конденсаторов! Какой именно подбирается при настройке, так как это зависит от монтажа и используемых элементов. Без конденсаторов на выходе постоянного напряжения будет присутствовать шум (и будет слышно, как шумит катушка), а КПД чуть снизится за счет разогрева транзисторов, если же впаять оба конденсатора схема будет возбуждаться. Сопротивление резистора R12 ограничивает коэффициент усиления цепи обратной связи чем он больше, тем неустойчивее работает преобразователь. При указанном номинале резистора выходное напряжение, в зависимости от тока нагрузки, изменяется не более чем на 0.3...0,5 В, чего для такого преобразователя вполне достаточно. При использовании транзисторов с меньшим коэффициентом h, сопротивление резистора R12 можно уменьшить до 2...10 кОм.

Провода питания преобразователя нужно подключить напрямую к аккумулятору. Иначе (если подключить после замка зажигания) система зажигания и прочее электрооборудование автомобиля будут создавать помехи преобразователю; кроме того, он сам будет.

влиять на электронику машины а это в некоторых случаях может быть опасным. Так как преобразователь даже при отключенной нагрузке потребляет некоторый холостой ток покоя (эта схема примерно 30...50 мА), в схему был добавлен выключатель на транзисторах VT4, VT5. Он коммутирует питание только маломощной управляющей схемы, выходные транзисторы соединены с аккумулятором напрямую, поэтому нет потерь мощности в силовой части. При подаче на "вход управления" напряжения выше 5 В (этот вход можно подключить к замку зажигания или любым маломощным переключателем соединить с +24 В) транзистор VT4 открывается, отпирает транзистор VT5 и подает напряжение на микросхему стабилизатора DA1.

Два транзистора используются для того, чтобы схемой можно было управлять положительным напряжением; конденсатор С10 сглаживает дребезг контактов. Здесь нет положительной обратной связи для обеспечения ключевого режима работы выключателя, но она и не нужна коэффициент усиления двух транзисторов настолько огромен (десятки тысяч), что схема всегда работает в ключевом режиме.

Резистор R13 защищает схему преобразователя от выхода из строя при случайных коротких замыканиях на корпус, а также понижает входное напряжение, уменьшая нагрев стабилизатора DA1.

При отсутствии напряжения на "входе управления" все микросхемы обесточены, в микросхеме DD2 выводы 4 и 5, 6 и 7 соединены внутренними резисторами небольшого сопротивления, и оба ключевых транзистора закрыты. Потребляемый ток в этом режиме определяется в основном только током утечки фильтрующих конденсаторов С9 и не превышает сотен микроампер.

Для упрощения графики разводка цепей питания на рисунке не показана к ней данная схема так же чувствительна, как и рассмотренные ранее. Общин вывод резистора R11 подключается к конденсатору С6, элементы обратной связи левее (по схеме) резистора R12 к выводу 14 DD1.

Фильтрующие конденсаторы С6 и С9 желательно набрать из двух-трех параллельно соединенных конденсаторов меньшей емкости. При работе на номинальном токе эти конденсаторы должны оставаться холодными через полчаса после включения преобразователя они должны нагреться не более чем на 5...10°С. Имеет смысл попробовать использовать конденсаторы разных производителей; в любом случае, чем больше размер корпуса конденсатора при тех же емкости и напряжении, тем лучше он будет работать.

В правильно собранном преобразователе, при токе нагрузки 3.4 А, нагрев корпусов транзисторов VT1 и VT2 не превышает 50...70°С даже без радиаторов. Поэтому при работе на таком токе будет достаточно небольших пластинок-теплоотводов размером 30x50 мм на каждый транзистор, они не должны соприкасаться! При работе с током нагрузки до 10 А нужны радиаторы посерьезнее как минимум игольчатый радиатор размерами 50x100 мм (на оба транзистора при этом транзисторы нужно изолировать от нее, для этого удобно использовать комплект крепления от старых компьютерных блоков питания), или можно прикрепить в основание корпуса преобразователя металлическую пластину, поставить на нее транзисторы и прижать основание корпуса к любой не нагревающейся в процессе работы "железяке" на корпусе машины, поближе к аккумуляторам. При этом нужно обеспечить хороший тепловой контакт зачистить обе поверхности, и желательно использовать теплопроводящую пасту.

О деталях

Катушка L1 в авторском варианте изготовлена в броневом сердечнике (чашках) диаметром 48 и высотой 30 мм, между половинками сердечника проложены два слоя газетной бумаги.

Обмотка намотана в два параллельно соединенных трансформаторных провода диаметром 1,5 мм, количество витков до заполнения каркаса (примерно 24...30). Такая катушка оставалась холодной при постоянном токе нагрузки 7 А. При токе нагрузки до 3...5 А можно взять 2-3 кольца К50х40х10 и намотать 40...50 витков проводом диаметром около 1 мм в 2...4 провода.

Или можно взять любой другой ферритовый сердечник для импульсных преобразователей, примерно таких же размеров, и желательно разрезной.

Вместо микросхемы NE556 можно использовать две микросхемы 555 или ее отечественную копию КР1006ВИ1, вместо транзисторов, BC817 поставить КТ3102Б, а вместо ВС807 - КТ3107Б. Конденсатор С5 должен быть с низким ESR, то есть пленочным или керамическим, а диод VD1 - быстродействующим, с малыми емкостью и временем обратного восстановления.

В крайнем случае можно параллельно включить электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ и керамический многослойный (но не дисковый!) емкостью 0...1 мкФ, а диод заменить на КД521 или аналогичный. Иначе транзистор VT1 будет сильно греться. Полевые транзисторы VT1 и VT2 желательно взять с сопротивлением канала в открытом состоянии не более 0,03 Ом, в авторском варианте использовался КП723А - аналоги IRFZ46N.

При токе нагрузки до 5 А лучше всего использовать сдвоенные и более высокочастотные транзисторы IRFI4024H - они изготовлены в изолированном корпусе ТО220-5 (то есть не нужно изолировать его корпус от теплоотвода) и способны работать совместно с драйвером IR2103 на частотах до 200...500 кГц (против 30...70 кГц для IRFZ46 и аналогичных).

Терморезистор R4 может быть любым малогабаритным (чтобы быстрее нагревался в случае аварии), с сопротивлением при комнатной температуре выше 5. 10 кОм.

Перед использованием термозащиту нужно откалибровать. Это делаем так: припаиваем к выводам терморезистора провода, кладем его в несколько вложенных друг в друга прочных пакетиков и опускаем в кипящую воду. Через минуту измеряем сопротивление терморезистора (нужно убедиться, что вода или пар не попали внутрь пакетиков), умножаем это число на 12...15 - таким должно быть сопротивление резистора R3. чтобы термозащита срабатывала при температуре 80...100°С.

Терморезистор нужно закрепить на радиаторе как можно ближе к транзисторам, тщательно смазав место контакта теплопроводящей пастой и позаботившись при необходимости об электрической изоляции.

Также иногда нужно подобрать сопротивление резистора R8 - оно должно быть таким, чтобы при закороченных выводах конденсатора С3 на выводе 5 DD2 было нулевое напряжение.

Особенности налаживания

Благодаря встроенной логике защиты в микросхему DD2 первое включение преобразователя можно производить с впаянными ключевыми транзисторами VT1 и VT2, но на всякий случай (вдруг дорожки неправильно разведены) "+" от аккумулятора подаем через лампочку на 24 В, 1...2 А. Конденсаторы С7 и С8 не припаиваем. В качестве нагрузки подключаем к выходу устройства две последовательно соединенные лампочки от елочной гирлянды (12 В, 0,16 А). При нормальной работе преобразователя эти лампочки должны гореть (напряжение на выходе преобразователя должно быть около 12 В, но больше 6...8 В и меньше 15 В), лампочка по питанию светиться не должна, протекающий через нее ток не более 200 мА. Заодно проверяем правильность работы выключателя, хотя он при правильном монтаже и исправных деталях никогда не требует настройки, и убеждаемся, что потребляемый ток в режиме "выключено" не превышает 1 мА.

Если он больше выпаиваем конденсаторы С9 и повторяем измерение: если он уменьшился ставим более качественные конденсаторы, если остался неизменным впаиваем те же конденсаторы и между выводами затвора и истока обоих полевых резисторов припаиваем по резистору сопротивлением 10 кОм.

При работе преобразователь не должен свистеть если есть звук, нужно увеличить рабочую частоту, уменьшив емкости конденсаторов С1 и С2. Если даже при емкостях в 200 пФ высокочастотный писк не пропадает скорее всего, схема возбуждается.

После этого отключаем нагрузку и измеряем потребляемый схемой ток он должен быть в пределах 40...70 мА. Если он гораздо больше это означает, что индуктивность катушки L1 недостаточна и нужно или увеличить рабочую частоту (если схема и так работает на ультразвуковой (неслышимой) частоте, лучше этого не делать!), или намотать на катушку еще десяток-другой витков.

Далее вместо лампочки в цепи питания включаем амперметр с пределом измерений более 5 А, а к выходу подключаем лампочку с током потребления 2...4 А (то есть ее мощность 24...48 Вт). Потребляемый схемой от аккумулятора ток должен быть примерно в 2 раза меньше тока через лампочку, оба полевых транзистора без радиаторов греться не должны (при токе нагрузки 2 А) или на максимальном токе должны медленно разогреться примерно до 50...70°С.

Причем температура обоих транзисторов должна быть примерно одинаковой.

Если VT2 греется заметно сильнее, чем VT1, нужно убедиться в наличии сигнала на его затворе с помощью последовательно соединенных светодиода и резистора сопротивлением 1...10 кОм, включать их между общим проводом и затвором транзистора. Если светодиод светится гораздо слабее, чем на затворе VT1, или не светится совсем нужно увеличить емкость конденсатора С4.

Так как защита по току (от короткого замыкания) в схеме не предусмотрена, нагрузку нужно подключать через плавкий предохранитель на 5...10 А. Его можно разместить в автомобильном блоке предохранителей или в корпусе (на плюсовом проводе) преобразователя.

При токе нагрузки 5 А провода от аккумулятора должны быть сечением более 1 мм (медь), провода к нагрузке более 1,5 мм, при больших токах провода должны быть толще.

Используя более мощные транзисторы, с меньшим сопротивлением канала, выходной ток при том же нагреве схемы можно повысить в несколько раз, но тогда нужно будет заменить микросхему драйвера. IR2103 "еле справляется" с транзисторами IRFZ46, и более мощные транзисторы она может просто не раскачать. Идеальная замена микросхема IR2183 - полный аналог по характеристикам, цоколевке выводов и типу корпуса, но с выходным током до 1,7 А. Ее следует просто впаять на место IR2103, без каких-либо изменений на плате. Емкость конденсатора С5 в таком случае желательно увеличить в несколько раз (минимум 1 мкФ), он должен быть пленочным.

Авторы: Кашкаров А. П., Колдунов А. С.

Смотрите другие статьи раздела Преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Использование Apple Vision Pro во время операций 16.03.2024

Медицинская команда больницы Кромвеля в Лондоне впервые применила Apple Vision Pro в ходе двух операций на позвоночнике. Это событие подтверждает потенциал гарнитуры в качестве медицинского инструмента, изменяющего подход к хирургической практике. Хотя сами врачи не использовали Vision Pro, операционная медсестра работала с виртуальной реальностью, используя очки во время подготовки и выполнения процедур. Гарнитура позволила просматривать виртуальные экраны в операционной, выбирать инструменты и следить за ходом операции. Программное обеспечение, разработанное компанией eXeX, специализирующейся на создании приложений на основе искусственного интеллекта для хирургии, существенно улучшило процесс оказания медицинской помощи пациентам. Использование Apple Vision Pro открывает новые возможности для разработки приложений в сфере здравоохранения, таких как клиническое образование, планирование операций, обучение и медицинская визуализация. Внедрение Apple Vision Pro в медицинскую пр ...>>

Хранение углерода в Северное море 16.03.2024

Министр энергетики Норвегии Терье Осланд объявил о запуске проекта Longship, нацеленного на создание центрального хранилища углекислого газа в Северном море. Этот амбициозный проект оценивается в $2,6 млрд и направлен на применение технологии CCS (углеродного захвата и хранения) для смягчения воздействия климатических изменений. Норвегия уже имеет опыт в области CCS благодаря успешным проектам Sleipner и Snohvit, и сейчас стремится увеличить объем углерода, запечатываемого под морским дном. План Longship предусматривает создание мощности по захвату и хранению 1,5 млн. тонн углерода ежегодно в течение 25 лет. Несмотря на позитивные перспективы, существуют опасения по поводу долгосрочных последствий такого хранения. Однако сторонники проекта утверждают, что морское хранение углерода имеет ряд преимуществ, включая минимальное воздействие на окружающую среду. Проект Longship осуществляется при участии компаний Equinor, Shell и TotalEnergies через совместное предприятие Northern Li ...>>

Выращены мини-органы из амниотической жидкости человека 15.03.2024

Международная команда ученых под руководством профессора Фань Сюлиня из Университета Чжэцзян разработала уникальный способ выращивания мини-органов из клеток, обнаруженных в амниотической жидкости человека. Этот значительный прорыв в медицине может привести к улучшению диагностики и лечения врожденных заболеваний. Органоиды, представляющие собой трехмерные клеточные структуры, имитирующие органы в меньшем масштабе, были выращены из клеток легких, почек и тонкого кишечника, найденных в амниотической жидкости. Этот метод открывает новые возможности для изучения различных состояний плода и может стать ключом к ранней диагностике и лечению врожденных дефектов. Хотя пока не проводились попытки использования этого метода в лечении, ученые надеются, что их исследования в будущем помогут бороться с серьезными врожденными заболеваниями, которые затрагивают миллионы новорожденных ежегодно. Этот прорыв может изменить практику медицинских вмешательств, позволяя диагностировать и лечить врожд ...>>

Случайная новость из Архива

ЦРУ в борьбе с глобальным потеплением 04.08.2013

Центральное разведывательное управление США изучает несколько проектов, которые могут повернуть вспять или хотя бы замедлить негативные процессы глобального потепления. Но пока по поводу участия разведчиков в потенциально разрушительной деятельности есть много вопросов.

Американские разведчики совместно с НАСА и специалистами Национальной академии наук США (NAS) запустили проект по изучению нескольких вариантов геоинженерного вмешательства в глобальный климат планеты с целью снизить или "отменить" опасные побочные эффекты техногенной деятельности нашей цивилизации. Судя по всему, участие ЦРУ означает, что правительство США всерьез обеспокоено тем, что глобальное потепление может негативно сказаться на международной безопасности, в том числе и национальной безопасности самих США. В частности в некоторых регионах может растаять ледяной и снежный покров, что может привести к конфликтам за новые территории и морские пути. Прежде всего это касается России и Канады. Также, войны и гуманитарные кризисы могут начаться из-за того, что некоторые обширные регионы будут получать больше осадков, а другие меньше.

Геоинжинеринг - это деятельность, направленная на изменения климата всей планеты или обширного региона. Текущий проект NAS не планирует проведения подобных мероприятий, по крайней мере пока, но ученые вместе с ЦРУ потратят $630 000 и 21 месяц на изучение вариантов такого воздействия на планету. В частности, имеются в виду варианты с выбросом в атмосферу частиц, отражающих солнечный свет или создание установок, поглощающих избыток углекислого газа. Кроме изучения способов борьбы с глобальным потеплением, целью проекта является оценка возможных негативных последствий глобального потепления.

Надо отметить, что ранее ЦРУ уже интересовалось проблемой глобального потепления и даже имело исследовательский центр, занимающийся этой проблемой. Однако в прошлом году этот центр был закрыт усилиями членов Конгресса США, которые возражали против участия разведчиков в такой деятельности. Пока еще не известно, как американские политики отреагируют на новую инициативу ЦРУ, и будут ли частные лица, общественные организации и СМИ интересоваться этим вопросом.

Надо заметить, что самый большой опыт по воздействию на климат имеют как раз американские военные и спецслужбы. В частности, во время войны во Вьетнаме, ВВС США в соответствии с планом ЦРУ не без успеха вызывали проливные дожди, которые смывали партизанские тропы. В последнее время появилось много более масштабных геоинженерных проектов. Например предлагается засеять часть океана у побережья Канады планктоном, который будет "высасывать" углекислый газ из воздуха.

К сожалению, пока оценить последствия таких серьезных вмешательств в климат сложно и высока вероятность вызвать экологическую катастрофу. Уже известен случай, когда бизнесмен Расс Джордж из Калифорнии втайне от мировой общественности и путем обмана местных жителей высыпал в Тихий океан "подкормку" для планктона - 110 тонн сульфата железа. По его словам, это привело к цветению планктона на площади 10 тыс. кв. км. Пока последствия этого самовольного эксперимента изучаются (прошел всего год), но ученые опасаются, что расположенной рядом богатейшей экосистеме островов Королевы Шарлотты моет быть нанесен непоправимый ущерб.

Другие интересные новости:

▪ Эволюция сна

▪ Датчики изображения для автомобильных фар

▪ Накопитель повышенной надежности Toshiba N300 8 ТБ

▪ Высокоскоростной интерфейс с пропускной способностью 16 Гбит/с

▪ SAMSUNG представил первые DVD-рекордеры

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

 

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Опыты по химии. Подборка статей

▪ статья У нас дважды два тоже четыре, да как-то бойчее выходит. Крылатое выражение

▪ статья Почему регулярное потребление алкоголя, даже умеренное, вредно для организма? Подробный ответ

▪ статья Работа с жидким азотом и жидким гелием. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Аккомпанирует свет. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Выключатель-автомат. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

Имя:


E-mail (не обязательно):


Комментарий:




Комментарии к статье:

Evgenii
Как переделать приведенную схему для получения регулируемого напряжения 12в/27в 500 вт для питания коллекторного авиационного двигателя ,установленного вместе с автомобильным аккумулятором на садовой тележке. Спасибо. [cry]


All languages of this page

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua

www.diagram.com.ua
2000-2024