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, СЗ применены для снижения амплитуды выбросов напряжения при переключениях и облегчения режима работы транзисторов.

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 2В 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 12В.

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 сигнал поступает на комплиментарный выходной каскад VT14VT15, нагруженный непосредственно на цепь затвора коммутирующего транзистора VT5.

Драйвер питается от маломощного импульсного преобразователя А2 через развязывающий трансформатор ТЗ и диодный мост VD15 со сглаживающим фильтром С21. Цепь R34VD14 ограничивает максимальное напряжение на затворе полевого транзистора на уровне 15В.

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, СЗ 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 мм² 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 35А, 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 2А 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... 15В 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, добиваются плавного увеличения выходного напряжения до 220 В. Затем токоограничивающий резистор исключают, к выходу выпрямителя подключают нагрузку — лампу накаливания мощностью 40...60 Вт и на устройство подают питание. Контролируя свечение лампы, измеряют потребляемый преобразователем ток, который не должен превышать 4...6 А. Еще раз измеряют напряжение на выходе выпрямителя, оно не должно измениться более чем на 1...2В, если необходимо, производят более точную регулировку.

Токовое реле налаживают отдельно. Его подключают к аккумуляторной батарее через балластный резистор 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... 15В, 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 220В 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).

И. Полей

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. www.unitrode.com