Преобразователь для питания бытовой аппаратуры

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы

 Комментарии к статье

Вниманию читателей предлагаем описание резервного преобразователя для питания бытовой аппаратуры при отсутствии напряжения в осветительной сети. Его отличительная особенность - наличие двух ступеней преобразования: высокочастотной и низкочастотной, что позволило существенно уменьшить габариты и массу устройства.

Сегодня отмечается повышенный интерес к разработке и изготовлению мощных преобразователей для питания различной бытовой аппаратуры от аккумуляторных батарей. Во многом этому способствуют два фактора. Во-первых, различного рода ограничения и перебои в электроснабжении, ставшие в последнее время во многих регионах страны обычной практикой. Во-вторых, современные достижения в области промышленного производства специализированных электронных компонентов для преобразовательной техники. К их числу следует в первую очередь отнести мощные быстродействующие полевые транзисторы со свойственными им простотой управления и малыми потерями во включенном состоянии, а также широкий спектр интегральных ШИМ-контроллеров, представляющих собой, по сути, однокристальные узлы управления преобразователями. Немаловажен также и тот факт, что в последнее время подобная элементная база стала доступна для рядового радиолюбителя, как в плане номенклатуры, так и стоимости. В результате чего появилась возможность разрабатывать преобразовательные устройства, содержащие малое число деталей и в то же время обладающие высокими энергетическими и эксплутационными характеристиками.

Описания подобных преобразователей не раз публиковались на страницах "Радио" [1, 2] и в соответствующей технической литературе [3, 4]. Отличительная особенность этих устройств - все они работают на низкой частоте преобразования (как правило, 50 Гц). Это вызвано необходимостью обеспечить соответствие выходных параметров преобразователей частотным характеристикам бытовой электросети, поскольку существует большой класс электроприборов, требующих наличия переменного питающего напряжения. К таким, например, относятся все потребители, содержащие сетевой трансформатор или различного рода электродвигатели переменного тока.

В то же время выбор низкой частоты преобразования вызывает определенные сложности конструктивного и эксплутационного характера: изготовление мощного выходного трансформатора, в основном определяющего массогабаритные показатели всего устройства, и характерное "гудение" преобразователя в процессе его работы.

Кроме того, описанные преобразователи, как правило, не снабжены узлами стабилизации выходного напряжения в зависимости от мощности подключенной к ним нагрузки или степени разряженности питающей аккумуляторной батареи. В результате чего возможны изменения амплитуды выходного переменного напряжения в довольно широких пределах (до 30...40 %), что не всегда благоприятно сказывается на потребителях.

Все вышесказанное предопределило конструкцию предлагаемого преобразователя, разработанного с учетом указанных недостатков, присущих уже существующим устройствам. Функционально преобразователь состоит из двух основных частей: мощного высокочастотного повышающего инвертора с выходным выпрямителем и низкочастотного инвертора-коммутатора.

Основные технические характеристики

• Максимальная выходная мощность, Вт.....200
• Входное питающее напряжение аккумуляторной батареи, В.....12
• Эффективное значение выходного переменного напряжения прямоугольной формы во всем интервале мощностей, В.....220 ±3
• Частота выходного напряжения, Гц.....50
• КПД преобразователя, %.....78
• Габариты, мм.....200x120x120
• Масса (без аккумуляторной батареи), кг.....3,5

Схема устройства показана на рис. 1. Высокочастотный инвертор выполнен по схеме двухтактного прямоходового преобразователя на транзисторах VT1 -VT4 и трансформаторе Т1. К преимуществам такого решения следует отнести низкий уровень пульсаций, лучшее использование коммутирующих транзисторов по току и более высокий КПД, чем у преобразователей, собранных по мостовой схеме. Демпфирующие элементы VD2, VD3, R1, C3 применены для снижения амплитуды выбросов напряжения при переключениях и облегчения режима работы транзисторов.

(нажмите для увеличения)

Защита инвертора от перегрузки или замыкания на выходе выполнена на основе включенного в первичную силовую цепь токового реле К1. Оно выполнено на основе геркона с одной группой замыкающих контактов, помещенного в центр катушки свитой из одного-двух витков питающего провода, идущего от плюсового вывода аккумуляторной батареи. При этом внутреннее сопротивление такого реле весьма мало и практически никакого влияния на работу преобразователя в штатном режиме не оказывает. В случае возникновения перегрузки контакты геркона замыкаются, подавая соответствующий сигнал срабатывания защиты на узел управления ВЧ инвертором А1. Быстродействие токовой защиты составляет 1...2 мс.

Выпрямитель выходного напряжения выполнен по мостовой схеме на диодах VD4-VD7, что также позволяет снизить уровень пульсаций и повысить коэффициент использования импульсного трансформатора Т1. Выпрямленное напряжение поступает на сглаживающий фильтр L1C5-С7. Сигнал обратной связи по напряжению, необходимый для работы узла управления ВЧ инвертором А1, снимают с резистивного делителя напряжения R3-R5.

Стабилизированное постоянное напряжение подают на низкочастотный инвертор-коммутатор, выполненный по схеме полного моста на транзисторах VT5-VT8. Формируемое коммутатором переменное напряжение прямоугольной формы сетевой частоты поступает на нагрузку преобразователя. Режим работы коммутатора определяет узел управления НЧ инвертором А2. Управляют транзисторами VT5-VT8 идентичные драйверы А4-А7, гальванически изолированные от остальных узлов преобразователя.

"Сердце" ВЧ инвертора - микросхема ШИМ-контроллера КР1156ЕУ2 [5] (зарубежный аналог - UC3825 фирмы Unitrode [6]), которая разработана специально для управления двухтактными импульсными источниками питания с высокой частотой переключения, работающими с обратной связью по напряжению или току.

Схема узла управления ВЧ инвертором А1 показана на рис. 2.

Частоту внутреннего задающего генератора контроллера определяют номиналы внешних элементов - резистора R9 и конденсатора С9, и при указанных значениях она составляет примерно 50 кГц. Необходимый для работы сигнал пилообразной формы, формируемый на конденсаторе С9, поступает на вход RAMP микросхемы.

На прямой вход IN усилителя сигнала ошибки (УСО) внутри микросхемы подано напряжение от образцового источника +5 В. Часть выходного напряжения инвертора, выпрямленная диодным мостом VD4-VD7, с резистивного делителя R3-R5 поступает на инвертирующий вход IN УСО. Коэффициент усиления УСО в области низких частот зависит от сопротивления резисторов R10, R11 и равен 100. Конденсатор С11 предназначен для коррекции частотной характеристики усилителя в области высоких частот с целью повышения устойчивости всей системы широтно-импульсного регулирования.

Изменение ширины выходных управляющих импульсов происходит в результате сравнения внутренним компаратором контроллера напряжения пилообразной формы, действующего на входе RAMP, с выходным напряжением УСО.

Сформированные управляющие импульсы с частотой следования 25 кГц с выходов OUTA и OUTB поступают на транзисторы соответственно VT1, VT2 и VT3, VT4.

Конденсатор С10 определяет работу узла "мягкого" запуска контроллера. В момент включения питания конденсатор начинает заряжаться от источника током 9 мкА, при этом рост напряжения на выводе SS по мере его зарядки обеспечивает плавное увеличение длительности рабочего цикла контроллера.

Как видно из основной схемы (см. рис. 1), в случае возникновения перегрузки преобразователя срабатывает токовое реле К1, замыкая контакты геркона К1.1. При этом открывается тринистор VS1, вызывая включение светодиода HL1 "Защита", а также появление падения напряжения около 2 В на резисторе R8. Это напряжение оказывается приложенным к входу SD контроллера, тем самым переводя его в режим блокировки. Выходы OUTA, OUTB микросхемы DA1 переключаются в высокоимпедансное состояние, и коммутирующие транзисторы VT1-VT4 закрываются. Для того чтобы после устранения перегрузки вернуть устройство в рабочее состояние, потребуется отключить на некоторое время питание преобразователя.

Параметрический стабилизатор R12VD8 ограничивает напряжение питания контроллера значением 12 В.

Узел питания драйверов А2 представляет собой маломощный импульсный преобразователь, выполненный по схеме рис. 3.

На логических элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования около 100 кГц. Далее следует делитель частоты на 4, выполненный на триггерах микросхемы DD2.

Импульсы с инверсных выходов триггеров DD2.1, DD2.2 и прямого выхода триггера DD2.2 поступают на логические элементы DD1.3 и DD1.4. С выходов этих элементов сформированные управляющие импульсы с частотой следования примерно 25 кГц подаются на транзисторы VT9 и VT10, коммутирующие ток первичной обмотки трансформатора Т2.

Схема узла управления НЧ инвертором A3 показана на рис. 4.

На интегральном таймере DA2, включенном по типовой схеме, собран задающий генератор. Частоту повторения генерируемых импульсов определяют элементы С17, R23, R24. Для указанных номиналов она составляет 100 Гц. Сигнал с генератора поступает на делитель частоты на 2, собранный на триггере DD3.1, выполняющем функцию формирователя парафазного сигнала. Далее с формирователя импульсы частотой 50 Гц подаются на логические элементы DD4.1, DD4.2, с выхода которых через транзисторы VT11, VT12 поступают на соответствующие светодиоды оптопар драйверов (А4-А7).

Одновибратор, собранный на триггере DD3.2, предназначен для получения паузы между управляющими импульсами. Наличие такой паузы необходимо, чтобы предотвратить возникновение сквозного тока в плечах транзисторного моста VT5-VT8. Длительность формируемой паузы определяют номиналы элементов С19, R25, R26, и для указанных на схеме она составляет около 1 мс.

Драйверы А4-А7 управления коммутирующими транзисторами VT5-VT8 низкочастотного инвертора выполнены по идентичным схемам рис. 5.

Управляющий сигнал подается на драйвер через диодную оптопару U1, обеспечивающую гальваническую развязку от узла управления НЧ инвертором. Далее после усилителя на транзисторе VT13 сигнaл поступает на комплементарный выходной каскад VT14VT15, нагруженный непосредственно на цепь затвора коммутирующего транзистора VT5. Драйвер питается от маломощного импульсного преобразователя А2 через развязывающий трансформатор Т3 и диодный мост VD15 со сглаживающим фильтром С21. Цепь R34VD14 ограничивает максимальное напряжение на затворе полевого транзистора на уровне 15 В.

В авторском варианте преобразователь собран в металлическом корпусе подходящего размера - 200x120x120 мм. Внешний вид устройства показан на рис. 6.

Все функциональные узлы преобразователя собраны на отдельных печатных платах, за исключением силовых элементов. Особое внимание следует обратить на топологию разводки печатной платы ШИМ-контроллера, стараясь не допускать близкого взаимного расположения проводников входных и выходных цепей, а также по возможности минимизировать их длину. Печатную плату для этого узла рекомендую выполнить из двусторонне фольгированного стеклотекстолита, используя фольгу на одной из сторон в качестве общего провода.

Тепловыделяющие элементы VT1 - VT4 высокочастотного инвертора, а также трансформатор Т1, конденсаторы С1, С2 и демпфирующие элементы VD2, VD3, R1, C3 смонтированы на задней стенке корпуса, изготовленной из сплошной дюралюминиевой пластины размерами 120x120 мм и толщиной 8 мм. Монтаж выполнен медным проводом (шиной) сечением 10 мм2. Задняя стенка с наружной стороны снабжена вертикально расположенными ребрами, таким образом, эффективная площадь рабочей поверхности полученного теплоотвода составляет около 600 см2. Оставшееся место на задней стенке прибора отведено под клеммы для подключения аккумуляторной батареи и плавкий предохранитель FU1. Транзисторы VT5-VT8 снабжены небольшими теплоотводами, площадью около 50 мм==2 каждый.

Вместо указанных на схеме транзисторов IRFZ34N (VT1-VT4) подойдут IRFZ44, BUZ11, КП723А или любые другие MOSFET с индуцированным n-каналом, максимальным током стока не менее 35 А, максимальным напряжением сток-исток не менее 55 В и сопротивлением открытого канала не более 0,04 Ом. Вместо транзисторов IRF820 (VT5-VT8) допустимо использовать IRF830, BUZ90, КП707Б1 или другие соответствующей структуры с максимальным током стока не менее 2 А и максимальным напряжением сток-исток не менее 400 В. Транзисторы КТ972А (VT9-VT12) заменимы КТ829А или составными КТ315+КТ815 с любыми буквенными индексами. На месте остальных транзисторов можно использовать любые маломощные биполярные соответствующей структуры.

Диоды КД226Г (VD4-VD7) допустимо заменить КД226Д.

Оксидные конденсаторы С1, С2, С5, С6 - К50-24, К50-27, способные работать в цепях со значительными пульсациями тока. Остальные оксидные конденсаторы, используемые в устройстве, - К50-6, К50-16, К53-14А, неполярные - любые керамические, например, КМ-5, КМ-6, К10-17.

Выключатель Q1 - любой, рассчитанный на номинальный ток не менее 20 А. Токовое реле К1 изготавливают на основе геркона КЭМ-1 или аналогичного с одной парой замыкающих контактов, имеющего возможно меньшее время срабатывания. Геркон помещают в тонкостенную цилиндрическую трубку из немагнитного материала подходящего диаметра. Поверх трубки наматывают обмотку реле, содержащую один-два витка. Точное число витков подбирают при налаживании.

Дроссель L1 выполняют на основе магнитопровода Б28 из феррита М2000НМ. На каркас катушки наматывают обмотку до заполнения проводом ПЭВ-2 0,9. При сборке между частями магнитопровода помещают прокладку из немагнитного материала толщиной 0,1 мм. Индуктивность такого дросселя - около 1 мГн.

Трансформатор Т1 наматывают на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах К65х40х6 из феррита М4000НМ. Обмотка I содержит 2x6 витков из 60 проводников ПЭВ-2 0,35, а обмотка II - 220 витков провода ПЭВ-2 0,9. Перед намоткой острые кромки магнитопровода следует скруглить. Обмотку II наматывают первой, виток к витку. Затем укладывают межобмоточную изоляцию, поверх которой располагают обмотку I. Чтобы уменьшить индуктивность рассеяния, ее наматывают в два провода (в два жгута по 60 проводников) и равномерно распределяют по магнитопроводу. Для первичной обмотки можно использовать жгут, сформированный из медной экранирующей оплетки коаксиального кабеля подходящего (5...7 мм2) сечения. Чтобы обеспечить межвитковую изоляцию, жгут помещают в трубку из изоляционного материала (например, полихлорвиниловую) подходящего диаметра. Среднюю точку первичной обмотки получают, соединяя начало одной полуобмотки с концом другой.

Трансформатор Т2 выполнен на кольце К28х16х9 из феррита М2000НМ. Обмотки содержат: первичная - 2x20, а вторичная - 20 витков провода ПЭВ-2 0,4. Сначала наматывают, как и в трансформаторе Т1, вторичную обмотку, а поверх нее - в два провода - первичную.

Соединяя начало одной полуобмотки с концом другой, получают среднюю точку.

Каждый трансформатор питания драйвера ТЗ (их придется изготовить четыре) наматывают на кольце К20х12х6 из феррита М2000НМ. Обмотки содержат: первичная - 30, вторичная - 40 витков провода ПЭВ-2 0,28. Вторичную обмотку наматывают первой.

Для налаживания преобразователя потребуется источник постоянного напряжения 10...15 В с выходным током 5... 10 А. С этой целью можно использовать зарядное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей, желательно снабженное защитой от перегрузки по выходному току. Высокочастотную и низкочастотную части преобразователя налаживают отдельно.

После сборки высокочастотной части устройства следует убедиться в правильном и качественном монтаже. Затем движок переменного резистора R4 устанавливают в верхнее по схеме положение. Через токоограничивающий резистор сопротивлением 10 Ом и мощностью 5 Вт на устройство подают питание. При этом ток холостого хода не должен превышать 300 мА, а напряжение на выходе выпрямителя VD4-VD7 должно находиться в пределах 190...200 В. Перемещая движок переменного резистора R4, сопротивлением около 0,5 Ом и подбирают число витков так, чтобы геркон срабатывал при токе примерно 25 А. После этого токовое реле подключают к устройству и налаживают высокочастотную часть, питая ее от аккумуляторной батареи. Постепенно увеличивая мощность подключаемой к выпрямителю VD4-VD7 нагрузки до 200 Вт, контролируют потребляемый ток, выходное напряжение и тепловой режим работы преобразователя. При долговременной работе температура теплоотвода не должна превышать 60 °С. На этом налаживание высокочастотной части устройства можно считать законченной.

Узел питания драйверов и сами драйверы при безошибочном монтаже в налаживании не нуждаются. Налаживание же узла управления НЧ инвертором заключается в установлении частоты тактового генератора (100 Гц) подстроечным резистором R23 и длительности паузы между выходными импульсами (около 1 мс) подстроечным резистором R26. После сборки целиком низкочастотной части преобразователя на ее вход (с учетом полярности) подают постоянное напряжение 10...15 В, контролируя при этом с помощью осциллографа выходное переменное напряжение на резисторе R6. Наблюдаемый выходной сигнал должен быть прямоугольным, симметричным со скважностью 2, без видимых искажений. В случае необходимости производят дополнительную регулировку длительности паузы между полупериодами меандра подстроечным резистором R26. На этом налаживание низкочастотной части преобразователя завершено.

Далее высокочастотную и низкочастотную части подключают друг к другу и контролируют работоспособность преобразователя целиком во всем интервале мощностей, при необходимости регулируя выходное переменное напряжение 220 В переменным резистором R4. Измерять выходное напряжение следует стрелочным прибором, показывающим эффективное (действующее) значение!

В заключение хотелось бы отметить, что предлагаемое устройство легко адаптировать под требуемые выходные характеристики. Подбором коэффициента деления резистивного делителя R3-R5 возможна установка другого выходного напряжения (например, 127 В), а изменением номиналов элементов С17, R24 можно получить другие значения выходной частоты (например, 400 Гц).

Литература

1. Володин В. Источник бесперебойного питания. - Радио, 2001, № 5, с. 35-38; № 6, с. 44-46.
2. Гореславец А. Преобразователи напряжения на микросхеме КР1211ЕУ1. - Радио, 2001, № 5, с. 42, 43.
3. Шелестов И. Радиолюбителям: полезные схемы, ч. 2. - М.: Солон-Р, 1999.
4. Семенов Б. Силовая электроника для любителей и профессионалов. - М.: Солон-Р, 2001.
5. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. - М.: Додэка, 1997.
6. <unltrode.com>.

Автор: И.Полей, г.Южно-Сахалинск

Смотрите другие статьи раздела Преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Микропластик в атмосфере - скрытый ускоритель глобального потепления 31.05.2026

Микропластик уже давно признан одним из самых масштабных загрязнителей планеты. Он проникает в океаны, почву, организмы животных и даже в тело человека. Однако до недавнего времени мало кто задумывался о его влиянии на климатические процессы. Новое исследование показало, что микро- и нанопластик в атмосфере способен поглощать тепло, тем самым внося дополнительный вклад в глобальное потепление. Ученые обнаружили, что воздействие пластиковых частиц на климат зависит от их цвета. Светлые частицы отражают солнечный свет и способствуют некоторому охлаждению, в то время как более темные - активно поглощают тепло и излучение. Со временем пластик в атмосфере темнеет под воздействием ультрафиолета, что усиливает его согревающий эффект. Этот процесс напоминает пожелтение пластиковых парковочных талонов, оставленных на солнце. Соавтор исследования, заслуженный профессор наук о Земле в Университете Дьюка Дрю Шинделл отметил, что влияние микропластика на изменение климата пока относительно не ...>>

Универсальный бытовой робот-гуманоид GigaAI SeeLight S1 31.05.2026

Развитие робототехники постепенно переносит сложные машины из промышленных цехов прямо в повседневную жизнь людей. Китайская компания GigaAI сделала важный шаг в этом направлении, представив SeeLight S1 - первую в стране модель универсального бытового робота-гуманоида. Эта разработка призвана взять на себя рутинные домашние дела и стать настоящим помощником в повседневной жизни. Уже в конце текущего месяца сотня роботов SeeLight S1 начнет проходить испытания в специализированном жилом комплексе, предназначенном для работников высокотехнологичных отраслей. По словам генерального директора GigaAI Чжу Чжэна, в первой половине 2027 года роботы будут переданы для бесплатного тестирования обычным семьям в Ухане - столице провинции Хубэй. Такой подход позволит собрать реальные данные о работе устройства в домашних условиях. В демонстрационном видео робот, передвигающийся на колесах, уверенно справляется с множеством бытовых задач. Он нарезает овощи, жарит яйца, загружает стиральную маши ...>>

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Случайная новость из Архива Бетон на кофейной гуще 09.09.2023 Инженеры из Австралии представили новый вид бетона, который становится крепче благодаря добавлению отработанной кофейной гущи. Этот инновационный материал может стать экологически устойчивым решением для строительной индустрии и сократить мусорные отходы, связанные с кофе. Годовой объем отработанной кофейной гущи составляет до 10 миллиардов килограммов, большая часть которой попадает на свалки и вызывает выбросы метана и углекислого газа. Однако исследователи из Университета RMIT в Мельбурне разработали способ вторичного использования этого отхода, улучшив прочность бетона на 30 процентов. Процесс заключается в смешивании отработанной кофейной гущи с биоуглем, который затем добавляется к бетонной смеси. Это улучшает адгезию бетона, делая его более прочным, чем обычный бетон. Это исследование представляет новую перспективу в сфере экологически чистого строительства. Тем не менее, для расширения практического применения данного материала и его устойчивости потребуются дополнительные исследования и тестирование на долговечность, учитывая естественное разложение органических компонентов во времени.

Другие интересные новости:

▪ Компьютер с GTX Titan и жидкостным охлаждением

▪ Микропластик способен проникать в мозг

▪ Аварийное питание LED светильника до 3-х часов

▪ Звезда взрывает сверхновые

▪ Изменение климата повлияло на вкус пива

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Аккумуляторы, зарядные устройства. Подборка статей

▪ статья Поставить в тупик. Крылатое выражение

▪ статья Как долго и почему европейцы опасались употреблять помидоры в пищу? Подробный ответ

▪ статья Редактор по размещению программ и рекламных материалов радиостанции. Должностная инструкция

▪ статья О помехоустойчивости автомобильных радиозамков. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Чудо-веревка. Секрет фокуса

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026