Инвертор с пониженным питанием

Двухтактный полумостовой импульсный инвертор с малым весом и небольшими габаритами используется как источник питания и для регулирования оборотов электродвигателей постоянного тока. Пониженное напряжение питания инвертора предполагает использование в схеме ключевых транзисторов с низким паспортным напряжением. Предусмотрено регулирование выходного напряжения и тока, электронная защита от коротких замыканий в нагрузке и перегрузок в схеме, стабилизация выходного напряжения.

Введение:
Основные функциональные части схемы инвертора с пониженным питанием:
1. Входные цепи защиты от перегрузки и замыканий в цепях питания инвертора.
2. Сетевой помехоподавляющий двухзвенный фильтр.
3. Сетевой выпрямитель.
4. Сглаживающий фильтр высокого напряжения.
5. Стабилизатор пониженного напряжения питания инвертора.
6. Двухтактный ключевой усилитель - силовой инвертор.
7. Цепи передачи и формирования сигнала обратной связи стабилизации выходного напряжения.
8. Генератор импульсов прямоугольной формы.
10. Регулятор выходного тока.
11. Выпрямитель вторичного напряжения.
12. Цепи защиты и индикации нагрузки.

 В схеме происходит тройное преобразование напряжения – переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается до постоянного тока, далее преобразуется - в инверторе, в импульсный ток, с частотой до нескольких десятков килогерц, который трансформируется в низковольтную цепь - выпрямляется, сглаживается и используется для питания электродвигателей постоянного тока, стабильным напряжением - электронных схем, преобразователей и низковольтных подогревателей.
Существенное отличие схемы данного устройства от прототипов - пониженное питание инвертора, что позволяет использовать ключевые транзисторы с низким паспортным напряжением.

 Цепи обратной связи на оптопаре и импульсный трансформатор инвертора гальванически разделяют высокое сетевое напряжение инвертора от низковольтных цепей.
Низковольтный узел оснащён мощными лавинными диодами и цепями индикации напряжения и тока нагрузки.
Стабилизация выходного напряжения выполнена введением отрицательной обратной связи по напряжению с цепей нагрузки на вход модификации частоты генератора. С выходных клемм ХТ3, ХТ4 (Рис.1) сигнал рассогласования, усиленный параллельным стабилизатором DA3 подаётся через оптопару DA2 на вход управления таймером генератора 5DA1. Повышение температуры ключевых транзисторов инвертора от перегрева контролируется терморезистором RK1, введенным в цепь регулятора установки выходного напряжения R11.
Схема инвертора оснащена двумя регуляторами, оборотов – R2 и напряжения R11.

Основные технические характеристики:
Напряжение питания 190- 230 Вольт
Выходное напряжение заряда 6 - 27 Вольт
Выходной ток нагрузки 6 Ампер.
Частота преобразования 27 кГц.
Мощность преобразователя 150 ватт.
КПД 86%

Принципиальная схема:
Сетевой помехоподавляющий фильтр состоит из двухобмоточного дросселя Т2 и конденсатора С12, который позволяет снизить помехи преобразователя в сеть и устранить возможность проникновения импульсных помех из сети питания.
На входе сети установлены: предохранитель FU1 и выключатель SA1.
Выпрямитель VD5 дополнен сглаживающим фильтром на конденсаторе С11. После стабилизации пониженного напряжения питания инвертора - транзистором VT3, на уровне зависящем от напряжения стабилитрона VD4 - дополнительно сглаживается конденсаторами С8,С9, шунтированных резисторами R12, R13 - для выравнивания напряжений в средней точке, относительно питания. Варистор RK2 ограничивает ток заряда конденсаторов фильтра при подачи сетевого напряжения. Высокочастотный трансформатор -Т1 инвертора одним выводом подключен к средней точке соединения конденсаторов С8,С9, а вторым выводом, через разделительный конденсатор С7, к точке соединения силовых транзисторов VT1, VT2 - ключевого преобразователя.

Конденсатор С10 дополняет общую паразитную ёмкость первичной обмотки, для гашения паразитных ВЧ колебаний, возникающих в момент переключения транзисторов в контуре, образованных межвитковой ёмкостью первичной обмотки трансформатора Т1 и её индуктивности рассеивания.
Разделительный конденсатор C6 устраняет подмагничивание магнитопровода трансформатора Т1 инвертора постоянным током при разбросе параметров конденсаторов С8,С9 и транзисторов VT1,VT2 - позволяет использовать трансформатор преобразователя без зазора в магнитопроводе, что, в ином случае, потребовало бы увеличения габаритной мощности.

Выбор транзисторов VT1, VT2 – разной проводимости, в преобразователе заключается в подборе транзисторов, близких по значению характеристик - максимальной мощности не менее половины мощности нагрузки, паспортного напряжения не ниже 1/2 напряжения питания инвертора.
От коэффициента усиления транзисторов VT1,VT2 зависит скорость переключения тока и потери мощности управления.
Входная RC- цепь R7C4 защищает инвертор от возникновения сквозных токов, удлиняя время переключения транзисторов.

Подача напряжения питания на генератор и цепи зарядки конденсатора С2, по времени, зависящем от номиналов резисторов R1, R2, приводит к возникновению на выходе 3 микросхемы таймера DA1 импульса высокого уровня. Появление на базах транзисторов VT1,VT2 положительного импульса приводит к открытию транзистора VT1 и закрытию транзистора VT2. Конденсатор С6 в диагонали моста заряженный через открытый транзистор VT2 напряжением средней точки конденсаторов С8,С9 разрядится через транзистор VT1. В первичной обмотке трансформатора Т1 возникнет импульс тока, который трансформируется во вторичную обмотку. При переключении выходного напряжения генератора на низкий уровень, (выход 3DA1), транзистор VT1 закрывается,VT2 -открывается, на конденсаторе С6 сменится полярность напряжения и в первичной обмотке трансформатора Т1 возникнет ток обратного направления.

Микросхема таймера DA1 содержит: два операционных усилителя работающих в качестве компараторов – верхний по входу 6DA1 и нижний по входу 2DA1; RC- триггер; выходной усилитель и ключевой транзистор для разряда внешнего времязарядного конденсатора C2 - по входу 7DA1.
По окончанию заряда конденсатора С2 до уровня в 2/3 Uп внутренний триггер таймера DA1 переключит выход 3 в закрытое состояние, а выход 7 DA1 в открытое, конденсатор С2 начнёт разряжаться на минус источника питания через резисторы R2, R4. Конденсатор С6 перезарядится обратной полярностью напряжения через открытый транзистор VT1 - в цепи первичной обмотки трансформатора Т1 сформируется импульс тока. Первичное импульсное напряжение трансформатора T1, с коэффициентом зависящим от количества витков обмоток, трансформируется во вторичную цепь и выпрямляется высокочастотным мостом VD2-VD3 на лавинных диодах.

По окончанию разрядки конденсатора С2 до уровня 1/3 U - питания таймера, внутренний триггер переключит выходы 3,7 DA1 в исходное состояние. Цикл повторится.
Сглаживание пульсаций выпрямленного вторичного напряжения выполняется конденсатором С7.
Генератор импульсного напряжения выполнен на аналоговом таймере DA1 с минимальным энергопотреблением, по КМОП технологии - устанавливать таймеры типа КР1006ВИ1 не рекомендуется, ввиду кратного потребления тока.

Выводы 3 и 7 микросхемы DA1 работают в противофазе, при положительном уровне на выходе 3 относительно средней точки питания, на выходе 7DA1 нулевой уровень. При отсутствии высокого уровня на выходе 3DA1 внутренний транзистор таймера замыкает вывод 7DA1 на минус источника питания двухтактного преобразователя. Выводы 2 и 6 таймера DA1 - входа компараторов, которые переключают внутренний триггер таймера в зависимости от уровня напряжения на конденсаторе С2. Время заряда конденсатора С2 зависит от номиналов RC- цепи C2R1R2.

Время разряда зависит от номиналов R2,R4,C2.
Вывод 5 DA1 позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора и используется в цепи стабилизации выходного напряжения. Применение данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы.
Контролируемое выходное напряжение с клемм ХТ3-ХТ4 через терморезистор RK1 поступает на установочный переменный резистор R11, которым регулируется ток внутреннего светодиода диодно - транзисторной оптопары DA1. При повышении напряжения на выходных зажимах открывается параллельный стабилизатор напряжения – таймер DA3. Ток через светодиод диодно - транзисторной оптопары DA2 возрастает при повышении выходного напряжения, транзистор оптопары открывается и шунтирует напряжение на выводе 5DA1 на минусовую шину питания, чем и модифицирует схему. Частота генератора возрастает без изменения скважности импульсов, что и приведёт к снижению выходного напряжения.

Питание инвертора выполнено от стабилизатора напряжения на транзисторе VT3. Пониженное напряжение питания генератора таймера DA1 выполнено на ограничителе напряжения - резисторе R6 и стабилизировано диодом VD1.
Вторичная цепь инвертора реализована на мощной паре лавинных диодов VD2- VD3, индикация наличия выходного напряжения индицируется светодиодом HL1.

Регулировка схемы:
Обороты электродвигателя постоянного тока устанавливаются резистором R2, максимальные обороты при максимальном напряжении - резистором R11. Подбором номинала резистора R9 в точке соединения эмиттеров транзисторов VТ1,VТ2 - устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания инвертора.

Перед проведением испытания собранной схемы в разрыв цепи сетевого питания, временно, включить лампочку 220 вольт 100 ватт - это обезопасит от возможных ошибок в схеме.
Слабые накал сетевой лампочки и возрастание её яркости при подключении нагрузки, индицируют о нормальном состоянии электронной схемы.
По окончании контрольной проверки схемы сетевая лампочка удаляется, и преобразователь включается в сеть без ограничения тока в цепи питания. Обороты электродвигателя М1 должны возрастать плавно без рывков.

Радиодетали:
Диодная сборка VD5 установлена на напряжение не ниже 400 вольт и ток более трёх ампер. Низковольтный выпрямитель VD2- VD3 на напряжение не ниже 50 Вольт и ток не менее 20 ампер – импульсный ВЧ.
Транзисторы VT1,VT2 - разной проводимости, подойдут на напряжение свыше 90 Вольт и ток более трёх ампер, желательно с близкими параметрами.
Радиатор на транзисторы приняты стандартный, с установкой прокладок. Алюминиевые оксидные конденсаторы фирм «Nicon» или REC.

Терморезистор RK1 крепится к радиатору скобой, с прокладкой, и соединён с печатной платой гибкими проводами в изоляции.
На печатной плате выход к выносным элементам обозначен, как и в перемычках, квадратной клеммой.
Оптроны подойдут из серии LTV816, PC817.
Дроссель Т2 взят от блока питания компьютера YX-EE25-01 или выполнен на феррите диаметром 24-36 мм 2 *(14-20) витков провода ПЭЛ -0,8 мм.

Трансформатор T1 применён без перемотки от блока АТ/ТХ питания компьютера, типа KR4127, ERL35-2,Е1-28, сердечник 10*8*22. Обмотка 1Т1 составляет 38 -46 витков диаметром 0,6мм, вторичная обмотка имеет две обмотки по 7,5 витков каждая, сечением 4*0,27 мм - в жгуте, для снижения потерь от поверхностного эффекта при передаче высокочастотного тока. Печатная плата устанавливается в пластмассовом корпусе типа БП-1. Выносные элементы крепятся в отверстиях корпуса и соединяются с монтажной платой изолированными проводами подходящего сечения - управления 0,5мм, силовые 2мм. При наличии осциллографа проще проконтролировать наличие осциллограммы прямоугольного импульса на выходе 3DA1 и импульсного напряжения на обмотках трансформатора Т1. Выбор двигателя М1 зависит от потребности.
Во время испытаний следует соблюдать правила техники безопасности.

Литература:
1) Н.Нечаев. Стабилизаторы напряжения с микросхемой КР142ЕН19А. -Радио №6,2000, С.57.
2) М.Дорофеев Снижение уровня помех от импульсных источников питания.- Радио, №9, 2006, С.38-40.
3) С. Косенко. Расчёт импульсного трансформатора двухтактного преобразователя.- Радио №4, 2005, С.35-37.
4) А.Петров Индуктивности, дроссели, трансформаторы Радиолюбитель1/96, 2/96, 5/96, 7/96.
5) В.Коновалов. Зарядные устройства. Методические рекомендации. 2009.Творческая лаборатория «Автоматики и телемеханики» Иркутского центра «Энергосберегающие технологии». 6) В. Коновалов,А.Разгильдеев. Восстановление аккумуляторов.-Радиомир 2005 №3 С.7.
7) В.Коновалов. А.Вантеев. Технология гальванопластики.-Радиолюбитель №9, 2008.
8) В.Коновалов. Пульсирующее зарядно-восстановительное устройство -Радиолюбитель № 5, 2007г. С.30.
9) В.Коновалов. Ключевое зарядное устройство.- Радиомир №9, 2007, С.13.
10) Д.А.Хрусталёв. Аккумуляторы.г. Москва. Изумруд.2003 г.
11) В.Коновалов. Измерение R-вн АБ.- Радиомир, №8,2004, С.14.
12) В.Коновалов. Эффект памяти снимает вольтдобавка. –Радиомир №10,2005, С. 13.
13) В.Коновалов. Зарядно – восстановительное устройство для NI-Cd аккумуляторов. - Радио №3, 2006, С. 53.
14) В.Коновалов. Регенератор АКБ. - Радиомир №6,2008, С 14.
15) В.Коновалов. Импульсная диагностика аккумулятора.- Радиомир №7, 2008, С.15.
16) В.Коновалов. Диагностика аккумулятора сотовых телефонов. -Радиомир № 3, 2009, С11.
17) В.Коновалов. Восстановление аккумуляторов переменным током. -Радиолюбитель №7,2007, С 42.
18) В.Коновалов. А.Вантеев. Ступенчатое зарядно-разрядное устройство. – Радиомир №7,2009, С8.
19) В.Коновалов.А.Вантеев. Зарядное устройство на адаптере мобильника. Радиомир №4, 2010, С.9-11.
20) В.Коновалов. Е. Цуркан. А.Вантеев. Полумостовой инвертор в зарядном устройстве. Радиомир №6, 2010, С.13-16.
21) В.Коновалов Инвертор на гибридном тиристоре. - Радиомир №8,2010, С. 9-11.

Теги:

• Инвертор
• Sprint-Layout