Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по проектированию (10+)
Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет
Для понижения постоянного напряжения с минимальными потерями и получения стабилизированного выхода применяется следующий подход. Постоянное напряжение преобразуется в импульсы переменной скважности. Далее эти импульсы пропускаются через катушку индуктивности. Энергия накапливается на накопительном конденсаторе. Обратная связь следит за стабильностью выходного напряжения и для этого регулирует скважность импульсов.
Если нет потребности в снижении потерь, то применяется последовательный стабилизатор непрерывного действия .
Принцип работы понижающего преобразователя напряжения основан на свойстве катушки индуктивности (дросселя) накапливать энергию. Накопление энергии проявляется в том, что сила тока через катушку индуктивности как бы имеет инерцию. То есть она не может измениться моментально. Если к катушке приложить напряжение, то сила тока будет постепенно нарастать, если приложить обратное напряжение, то сила тока будет постепенно убывать.
Вашему вниманию подборки материалов: На схеме мы видим, что блок управления D1 в зависимости от напряжения на конденсаторе C2 замыкает и размыкает силовой ключ. Причем чем выше напряжение на C2 , тем меньше время, на которое замыкается ключ, то есть меньше коэффициент заполнения (больше скважность). Если напряжение на конденсаторе C2 превышает некоторое, то ключ вообще перестает замыкаться, пока напряжение не снизится. Как обеспечивается такая работа схемы управления, описано в статье о широтно-импульсной модуляции . Когда силовой ключ замкнут, ток идет по пути S1 . При этом к катушке индуктивности приложено напряжение, равное разнице между входным и выходным напряжением. Ток через катушку увеличивается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, на которое замыкается ключ. Катушка накапливает энергию. Протекающий ток заряжает конденсатор C2 . Когда силовой ключ разомкнут, ток идет по пути S2 через диод. К катушке индуктивности приложено выходное напряжение с обратным знаком. Ток через катушку уменьшается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, в течение которого ключ разомкнут. Протекающий ток по-прежнему заряжает конденсатор C2 . Когда конденсатор C2 зарядится, ключ перестает замыкаться, зарядка конденсатора прекращается. Ключ снова начнет замыкаться, когда конденсатор C2 немного разрядится через нагрузку. Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток. Преимущества, недостатки, применимостьПотери энергии непосредственно зависят от отношения входного и выходного напряжений. Так понижающий преобразователь теоретически может сформировать большой выходной ток при малом напряжении из небольшого входного тока, но большого напряжения, но нам придется прерывать большой ток при большом напряжении, что гарантирует высокие коммутационные потери. Так что понижающие преобразователи применяются, если входное напряжение в 1.5 - 4 раза больше выходного, но их стараются не применять при большей разнице. Разберем процесс проектирования и расчета понижающего преобразователя и опробуем его на примерах. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Для примера возьмем следующие схемы:
Одной из проблем понижающих преобразователей является сложность управления силовым ключом, так как его эмиттер (исток) как правило не подключен к общему проводу. Дальше мы рассмотрим несколько вариантов решения этой проблемы. Пока остановимся на несколько нестандартном включении микросхемы - ШИМ контроллера. Мы используем микросхему 1156EU3 . У этой микросхемы выходной каскад выполнен по классической двухтактной схеме. Средняя точка этого каскада выведена на ножку 14, эмиттер нижнего плеча соединен с общим проводом (ножка 10), коллектор верхнего плеча выведен на ножку 13. Мы соединим ножку 14 с общим проводом через резистор, а ножку 13 подключим к базе ключевого транзистора. Когда верхнее плечо выходного каскада открыто (это соответствует подаче отпирающего напряжения на выход), ток протекает через эмиттерный переход транзистора VT2, ножку 13, верхнее плечо выходного каскада, ножку 14, резистор R6. Этот ток отпирает транзистор VT2. В таком включении можно применять и контроллеры с открытым эмиттером на выходе. В этих контроллерах нет нижнего плеча. Но оно нам и не нужно. В нашей схеме в качестве силового ключа используется мощный биполярный транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора в качестве силового ключа . В качестве силового ключа можно использовать составной транзистор , чтобы понизить нагрузку на контроллер. Однако, напряжение насыщения коллектор - эмиттер составного транзистора в разы больше, чем у одинарного. В статье про составной транзистор описано, как рассчитать это напряжение. Если Вы используете составной транзистор, то в форме расчета в конце статьи укажите в качестве напряжения насыщения коллектор - эмиттер VT2 именно это напряжение. Чем выше напряжение насыщения, тем выше потери, так что с составным транзистором потери будут в разы больше. Но решение есть. Оно будет описано далее в разделе о маломощных контроллерах. Ется выходное напряжение. От каких элементов оно зависит? Также буду очень благодарен, если если подскажете, как правильно рассчитать параметры понижающего преобразователя 100в на 28в 1000 Ватт. Заранее огромное спасибо. Микроконтроллеры. Составление программы. Инструменты проектирования сх... |
До недавнего времени наиболее распространенные источники питания имели трансформаторную схему с выпрямителем и емкостным фильтром. Со временем их вытеснили источники питания на основе импульсных преобразователей. Импульсные источники питания выгодно отличаются большей удельной мощностью. Высокочастотные трансформаторы обладают меньшими габаритами и требуют меньших затрат медного провода что значительно снижает стоимость всего изделия в целом. Тем не менее, трансформаторные схемы промышленной частоты 50 (60) Гц будут актуальны и впредь в виду своей простоты и надежности.
Классификация
Преобразователи питающего напряжения можно классифицировать следующим образом:
- По роду питающего напряжения:
постоянного;
переменного;
универсальные. - По коэффициенту преобразования напряжения:
повышающие;
понижающие. - По характеру выходной вольтамперной характеристики (ВАХ):
не стабилизированные;
стабилизированные;
регулируемые. - По типу базовой схемы преобразования:
трансформаторная низкочастотная;
импульсная дроссельная;
импульсная однотактная обратноходовая, прямоходовая;
импульсная двухтактная, мостовая и полумостовая схемы;
инверторы;
тиристорные и симисторные преобразовательные схемы.
Низкочастотные трансформаторные схемы
| Рисунок 1. Трансформатор переменного тока |
Трансформаторные схемы отличаются простотой и надёжностью. Применяются для преобразования переменного напряжения синусоидальной формы. Базовая схема изображена на рисунке 1. Частота преобразования соответствует применяемой частоте питающей сети, в подавляющем большинстве случаев это 50 Гц, в некоторых странах 60 Гц, и изредка 400 Гц для питания специализированного оборудования.
Классификация по коэффициенту преобразования напряжения
Коэффициент преобразования трансформаторной схемы равен отношению выходного номинального напряжения к входному:
При К <1 схема является понижающей . Это наиболее часто встречающийся тип трансформаторных преобразователей промышленной частоты. Широко используется в источниках питания бытовой и промышленной электроники.
При K >1 схема повышающая. Применяется в тех случаях, когда требуется более высокое напряжение по отношению к первичному. Иногда используется в качестве базовой схемы в инверторных преобразователях, а также для получения высоких напряжений, например, для питания магнетрона микроволновых печей, и т.п.
При K=1 величина выходного напряжения практически не изменяется по отношению к входному. Данная схема иногда применяется для гальванической развязки, когда необходимо исключить влияние сетевого напряжения на питаемый объект, или с целью электробезопасности.
Классификация по характеру выходной ВАХ
Нерегулируемые трансформаторы
Имеют одну первичную и одну, или несколько вторичных обмоток, чаще всего гальванически изолированных от первичной. ВАХ зависит от ряда условий и является неизменной.
Регулируемые трансформаторы – автотрансформаторы
|
Рисунок 2. Автотрансформатор |
Автотрансформаторы предназначены для плавного или ступенчатого регулирования выходного напряжения. Чаще всего имеют одну обмотку, которая играет роль первичной и вторичной одновременно, а регулирование напряжения производится переключением выходной клеммы между различными выводами обмотки.
Входная клемма автотрансформатора подключается не на крайний вывод, а с небольшим смещением на несколько выводов к середине обмотки. Это позволяет при регулировании добиваться коэффициента преобразования как ниже, так и выше единицы. Коммутация выхода с выводами обмоток производится пакетным переключателем, или аналогичным коммутационным устройством.
При необходимости более плавного регулирования выходного напряжения применяются автотрансформаторы с видоизменённым конструктивом. Вся обмотка наматывается в один слой на тороидальном сердечнике виток к витку с небольшим зазором между витками. Часть изоляции с торцевой стороны тороидальной обмотки снимается с проводника для возможности подключения коммутационного устройства к каждому витку. Для контакта с витками используется скользящий или роликовый графитовый бегунок. Благодаря такой конструкции производится более плавное переключение между выводами (места, освобождённые от изоляции), а перемещение бегунка практически по всей обмотке трансформатора позволяет получать на выходе напряжения от нуля до максимального значения коэффициента трансформации. Благодаря такой специфической конструкции и возможности столь глубокого регулирования выходной величины напряжения, такие автотрансформаторы принято называть лабораторными автотрансформаторами, или сокращённо ЛАТР . Упрощённая электрическая схема ЛАТРа показана на рисунке 2.
Трансформаторные схемы с выпрямителем
Вбольшинстве случаев промышленные и бытовые электронные устройства требуют питания от источника постоянного тока. Для этого трансформаторные схемы дополняют полупроводниковым выпрямителем, а для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выход схемы выпрямителя включают сглаживающий конденсатор. Базовая схема показана на рисунке 3, и может усложняться в зависимости от требований к ВАХ источника питания.
В некоторых случаях для питания различных блоков схемы требуются напряжения разных уровней, или симметричный источник питания со средней точкой. Для этого используются многообмоточные трансформаторы с подключением к каждой обмотке разных напряжений или плеч отдельного выпрямителя с ёмкостным фильтром.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения
Когда требуется запитать устройство от напряжения со сниженным значением по отношению к имеющемуся напряжению питания, часто применяются схемы стабилизаторов на основе делителей напряжения - транзисторов или интегральных стабилизаторов. Недостатком этого способа является то, что при необходимости значительного снижения напряжения питания относительно первичного, на регулирующем элементе (транзисторе, микросхеме стабилизатора) выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока его нагрузки. При значительной мощности нагрузки такое преобразование влечёт весомые потери энергии и снижение КПД. Для более эффективного преобразования питающего напряжения применяются импульсные преобразователи, работа которых основана на частотно-импульсной или широтно-импульсной модуляции.
Для понимания процесса импульсной модуляции рассмотрим схему на рисунке 4. На выводы входа «Общ.» и «Uип» подаётся напряжение первичного источника. Ключ SA1 управляется устройством управления в импульсном режиме, периодически замыкая и размыкая цепь заряда конденсатора C1 через балластный резистор Rб. При замыкании ключа SA1 конденсатор начинает заряжаться, напряжение на нём постепенно растёт. При размыкании ключа заряд прекращается. Если нагрузка отключена, то напряжение на конденсаторе остаётся неизменным до следующего замыкания ключа. Когда к выходу подключена нагрузка, то конденсатор разряжается, напряжение на нём падает. Если рассматривать этот повторяющийся процесс в течении длительного времени, то будут заметны значительные колебания напряжения на выходе устройства при нагрузке. Чтобы эти колебания были не столь значительны, достаточно сократить время процесса заряда и разряда конденсатора, т.е. увеличить частоту следования импульсов коммутации до приемлемых значений.
Уровень напряжения на выходе такого преобразователя зависит от отношения времени замкнутого положения ключа ко времени разомкнутого положения и от величины нагрузки. Если принять величину нагрузки постоянной, тогда уровень напряжения будет прямо пропорционален длительности импульса в периоде. Отношение длительности импульса к периоду следования называется коэффициентом заполнения импульсов:
где D – коэффициент заполнения импульсов, t – длительность импульса, T – период следования импульсов.
Чем больше коэффициент заполнения импульсов, тем выше может быть поднято напряжение на выходе преобразователя. Для исследования работы такого преобразователя можно собрать базовую схему, изображённую на рисунке 5.
Ключ VT1 коммутирует цепь заряда конденсатора C1 через балластный (токоограничивающий) резистор Rб. Подтягивающий резистор Rп ускоряет стечение электронов из области базы в момент запирания ключа VT1. Rо – резистор, ограничивающий максимальный ток базы ключа VT1. VT2 – ключ управления током базы транзистора VT1. Его назначение – согласование работы схемы с сигналом генератора относительно минуса питания, принципиального значения не имеет, если сигнал генератора инвертировать и подавать относительно плюса питания на базу ключа VT1.
Коэффициент заполнения можно изменять несколькими способами. Рассмотрим их по отдельности.
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
При изменении частоты следования импульсов одинаковой длительности меняется только длительность пауз между ними. Длительность импульсов - величина постоянная, она ограничивает максимально возможную частоту, которой достигнет генератор при максимально возможном коэффициенте заполнения импульса, т.е., когда приближенно выполняется равенство
Частота при этом будет равна
Рисунок 6 иллюстрирует принцип частотно-импульсной модуляции. Красная прямая «а» - условно линейная временная зависимость напряжения на фильтрующем конденсаторе C1 (схема на рис.5) во время заряда (ключ VT1 замкнут). Зелёная прямая «б» - условно линейная временная зависимость напряжения на фильтрующем конденсаторе при его разряде на нагрузку. t – длительность импульсов, одинаковая для всех импульсов. T1, T2, T7 и Tn – период следования импульса соответствующего порядка. Как иллюстрирует приведённый пример, периоды следования импульсов могут отличаться, и влияют на среднее значение энергии передаваемой от первичного источника на выход.
В нижней части рисунка изображена теоретически истинная диаграмма напряжения на фильтрующем конденсаторе, состоящая из отрезков, отражающих периодически повторяющийся заряд/разряд. Синяя кривая показывает усреднённое значение напряжения на выходе преобразователя. Горизонтальный участок этой кривой демонстрирует режим стабилизации напряжения выхода – Uст.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
При неизменном периоде следования импульсов, т.е., когда частота импульсов не меняется, модуляция производится изменением длительности импульсов, при этом обратно пропорционально изменяется длительность пауз. Принцип несколько похож на частотно-импульсную модуляцию.
Широтно-импульсная модуляция проиллюстрирована на рисунке 7. В отличии от ЧИМ, здесь период следования импульсов T является постоянной величиной, а длительность импульсов порядка t1, t4, tn меняется в зависимости от требуемого уровня модулируемой выходной величины.
Отличие рассмотренных методов позволяет для выполнения одной задачи применять различные схемотехнические решения.
Применяя частотную, или широтно-импульсную модуляцию можно ограничивать, стабилизировать или динамически регулировать выходную величину. На рисунке 8 продемонстрированы примеры ЧИМ и ШИМ регулирования.
Схемотехника импульсных преобразователей
Рассматривая схему на рисунках 4 и 5, можно обратить внимание на один значительный недостаток такого решения: через балластный резистор Rб при замкнутом ключе протекает ток, пропорциональный падению напряжения на нём. В результате резистор рассеивает часть энергии в виде тепла, а это влечёт за собой снижение КПД. Для устранения этого недостатка вместо балластного резистора в импульсных схемах применяются индуктивные элементы – дроссели и импульсные трансформаторы.
Дроссель ограничивает нарастание тока по переднему (нарастающему) фронту импульса. От момента включения дросселя в цепь до полного магнитного насыщения сердечника, в нём запасается энергия в виде магнитного поля. После полного насыщения сердечника, даже если ток продолжает нарастать, дроссель не способен запасать больше энергии, в результате энергия начинает выделяться в виде тепла, что может вызвать потери и снизить КПД. Поэтому схему необходимо рассчитывать так, чтобы наибольшая длительность импульса ограничивалась до момента полного насыщения. При разрыве цепи дросселя по заднему (нисходящему) фронту импульса, магнитное поле дросселя в результате прекращения протекания тока быстро уменьшается. Уменьшение магнитного поля обуславливает возникновение на концах обмотки дросселя импульса напряжения магнитной индукции противоположной полярности, по отношению к приложенному напряжению во время протекания через обмотку дросселя тока. Это напряжение можно коммутировать таким образом, чтобы использовать энергию импульса для питания нагрузки. Так дроссель, ограничивая, ток накапливает энергию, а между импульсами может накопленную энергию передать нагрузке, или вернуть первичному источнику. В результате сокращаются потери энергии при значительном понижении выходного напряжения относительно входного, даже при питании мощной нагрузки.
Появление импульса обратной ЭДС в обмотке дросселя можно использовать не только для повышения КПД устройства при ограничении напряжения, но и для повышения выходного напряжения относительно входного.
Недостатком дроссельных преобразователей является невозможность гальванической развязки выхода от первичного источника питающего напряжения. Гальваническая развязка может быть обеспечена с применением импульсных трансформаторов с раздельными обмотками первичного (питающего) и вторичного напряжений. Трансформаторные схемы могут работать как в однотактном режиме (режим дросселя), так и в двухтактном.
Типовые схемы каскадов импульсных преобразователей с применением индуктивных элементов – дросселей и импульсных трансформаторов
Схемы выходных каскадов однотактных преобразователей постоянного напряжения с применением дросселя
Понижающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения
На рисунке 9 показан выходной каскад. SA1 – ключ, управляемый схемой. При включении ключа в первоначальный момент времени к дросселю прикладывается разница напряжения источника питания относительно напряжения выхода. Затем, по мере намагничивания дросселя, ток через него постепенно возрастает, а падение напряжения на нём наоборот уменьшается. При протекании тока через дроссель фильтрующий конденсатор C1 заряжается, а дроссель накапливает энергию в магнитном поле сердечника. При размыкании ключа на концах обмотки L1 возникает импульс обратного напряжения. При появлении обратной ЭДС в дросселе, импульсный диод DV1 коммутирует освободившийся вывод его обмотки с минусом C1. В результате запасённая энергия в магнитном поле дросселя не теряется, а тратится на дополнительный заряд фильтрующего выходного конденсатора в промежутках между импульсами.
Повышающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения
При подключении схемы (рисунок 10) к первичному источнику постоянного напряжения, конденсатор C1 через дроссель L1 и импульсный диод (диод Шоттки) DV1 заряжается. Напряжение на нём достигает напряжения источника питания, за вычетом падения напряжений на дросселе и диоде.
Дроссель рассчитывается так, чтобы при разомкнутом ключе SA1 при работе на нагрузку, ток нагрузки не приводил к значительному насыщению сердечника дросселя.
При замыкании ключа SA1 к дросселю прикладывается напряжение источника питания, ток через него увеличивается, а в сердечнике накапливается энергия магнитного поля до момента полного насыщения. Диод VD1 при замыкании ключа под действием обратного напряжения закрывается, исключая замыкание конденсатора C1.
После некоторого насыщения сердечника ключ размыкается.
В момент размыкания ключа на дросселе возникает импульс напряжения обратной полярности. На аноде разделительного диода появляется напряжение равное сумме напряжений первичного источника питания и напряжения импульса на дросселе. Диод открывается и конденсатор C1 заряжается.
Благодаря тому, что в момент размыкания ключа напряжение обратного импульса дросселя создаёт прибавку к напряжению первичного источника, на выходе преобразователя мы можем получить напряжение, превышающее напряжение первичного источника.
На основе этой схемы можно строить преобразователи с регулируемым напряжением выхода, но регулировка возможна только от напряжения первичного источника, что ограничивает область применения данного решения.
Пример транзисторных схем выходных каскадов дроссельных преобразователей
Для проведения опытов по рассмотренным видам дроссельных преобразователей можно собрать схемы каскадов на транзисторах, показанных на рисунках 11 и 12.
Ненасыщающийся импульсный трансформатор
При подаче на трансформатор однополярных импульсов напряжения, из-за крутой характеристики петли гистерезиса, остаточная напряжённость в сердечнике не снимается, и с каждым следующим импульсом достигает такого значения, при котором изменение напряжённости магнитного поля от начала до конца импульса становится несущественным. Поскольку передача энергии в трансформаторе осуществляется изменяющимся магнитным полем, величина которого значительно снижается при одностороннем намагничивании сердечника, снижается количество энергии, которое трансформатор способен передать за один рабочий период, т.е. его эффективность. В таких случаях иногда говорят, что трансформатор насыщается постоянной составляющей тока намагничивания .
По своей сути, трансформатор с разомкнутым магнитопроводом является дросселем, с наличием вторичных обмоток.
В работе однотактных преобразователей выделяют две фазы цикла:
- возбуждение ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке в ходе увеличения напряжённости магнитного потока при увеличивающемся первичном токе (намагничивание сердечника);
- возбуждение ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке в ходе спада напряжённости магнитного потока при сбросе первичного тока (размагничивание сердечника).
Снимать полезную мощность со вторичной обмотки целесообразно либо в первую фазу цикла, либо во вторую. При полезной нагрузке вторичной обмотки в первую фазу преобразователь называется «прямоходовым», во вторую – «обратноходовым».
Прямоходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора
На рисунке 13 изображена схема силового каскада прямоходового импульсного преобразователя.
Когда при подаче управляющего импульса ключ VT1 открывается, к первичной обмотке T1 прикладывается напряжение питания. Ток первичной обмотки начинает увеличиваться по мере насыщения сердечника. В это время увеличивающийся магнитный поток сердечника вызывает индукцию напряжения на вторичной обмотке такой полярности, при которой импульсный диод VD1 открывается, заряжая конденсатор C1 и питая нагрузку.
Когда ключ VT1 закрывается, через первичную обмотку прекращает течь ток, в результате чего напряжённость магнитного поля начинает изменяться в обратную сторону, то есть уменьшаться. Уменьшение напряжённости магнитного потока сердечника индуцирует во вторичной обмотке напряжение обратной полярности, при котором диод VD1 закрывается. Обе обмотки оказываются не нагруженными, и в результате на концах всех обмоток может возникнуть импульс напряжения, в несколько раз превышающий по величине напряжение первичного источника. Этот импульс может вывести из строя и импульсный диод, если превысит его максимальное обратное напряжение, и транзисторный ключ. Поэтому такие схемы необходимо дополнять защитными цепями.
Способы защиты могут быть разнообразны, на рисунке показан лишь один из возможных вариантов. Здесь в момент появления импульса обратного напряжения его всплеск открывает демпфирующий диод VDд, в результате конденсатор демпфирующей цепочки Cд шунтирует первичную обмотку при прохождении крутого фронта импульса напряжения, а резистор Rд несколько снижает величину напряжения всего импульса.
Обратноходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора
Схема на рисунке 14 повторяет схему на рисунке 13. Разница в том, что у вторичной обмотки произведена смена выводов. Если Вы уже обратили внимание на знаки «*» у изображений обмоток Т1, то многие из Вас догадались, что это условное обозначение начала обмоток.
Теперь, при открывании ключа в первичной обмотке начнёт увеличиваться ток c намагничиванием сердечника, но во вторичной обмотке индуцированное напряжение закроет диод VD1, и вся энергия (за исключением потерь) передаваемая через первичную обмотку будет накапливаться в магнитном поле сердечника до его полного насыщения. При запирании ключа, через первичную обмотку прекращает течь ток, а во вторичной индуцируется напряжение обратной полярности, которое открывает диод VD1, заряжая конденсатор C1 и питая нагрузку.
В этом случае у нас полезная нагрузка снимается со вторичной обмотки в период размагничивания сердечника, во время обратного хода цикла работы преобразователя. Отсюда и название – «обратноходовый».
Фаза обратного хода при постоянной нагрузке такого преобразователя активна, и в первичной обмотке не должно возникать опасных всплесков напряжения при размыкании первичной цепи. Но когда нагрузка имеет переменный характер, то при работе в режиме холостого хода ключ может выйти из строя. Для этого рассмотренную схему необходимо дополнить цепочкой защиты, аналогично схеме рисунка 13.
Рассмотренные выше схемы каскадов однотактных преобразователей пригодны лишь в диапазоне малых мощностей, приблизительно до 100 ВА.
Схемы выходных каскадов двухтактных преобразователей постоянного напряжения с применением импульсных трансформаторов
Силовые трансформаторы являются ключевым элементом устройств преобразования питающего напряжения. Как мы уже говорили, однотактные режимы работы накладывают значительные ограничения на их применение и эффективность. Для более полноценного использования всех полезных свойств импульсных трансформаторов, их применяют в схемах двухтактного преобразования . Это позволяет не только увеличить КПД, но и в значительной степени мощность преобразователя.
Рассмотрим три базовые схемы силовых каскадов двухтактных импульсных преобразователей.
Схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя с выводом средней точки первичной обмотки
В схеме на рисунке 15 используется импульсный трансформатор T1 с двумя первичными обмотками I и II, которые соединены последовательно, т.е. конец одной обмотки соединён с началом второй. Такое соединение образует среднюю точку, к которой подключается один из полюсов источника питания, в данном случае положительный. Свободные выводы первичных обмоток подключаются к противоположному полюсу источника питания через силовые коммутирующие ключи VT1 и VT2.
Полный цикл работы данной схемы заключается в поочерёдном включении обмоток I и II в цепь источника питания. Например, при открывании ключа VT1 обмотка I возбуждает в сердечнике магнитный поток определённой напряженности магнитного поля. При закрывании VT1 магнитный поток сердечника ослабляется до остаточной величины. Это первый такт работы. Далее, открывается ключ VT2, при этом через обмотку II начинает течь ток, создающий магнитный поток противоположного направления по отношению к первому такту. При этом сердечник успевает полностью размагнититься, а затем снова насытиться магнитным потоком обратной полярности. При закрытии ключа VT2 магнитный поток так же снижается до величины остаточного. Это второй такт работы преобразователя.
Работа в двухтактном режиме позволяет полноценно использовать преимущество импульсных трансформаторов, имеющих сердечники с высоким значением магнитной проницаемости, и не требует введения немагнитного зазора в цепь магнитопровода.
Если кратко изложить суть реализации двухтактного трансформаторного преобразования, это – периодическое изменение направления тока в первичной обмотке.
Полумостовая схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя
В полумостовой схеме (рисунок 16) ток в первичной обмотке создаётся путём перезарядки конденсаторов C2 и C3.
Пока оба ключа закрыты, после подачи питающего напряжения, конденсаторы верхнего и нижнего плеча полумоста C2 и C3 заряжаются приблизительно равномерно, и на общем выводе формируется напряжение, примерно равное половине напряжения питания.
При открывании ключа VT1 начало (помечено «*») первичной обмотки I оказывается подключено к положительному полюсу источника питания. При этом конденсатор С2 начинает разряжаться, а C3 заряжаться. Потенциал общей точки конденсаторов будет стремиться подтянуться к положительному полюсу первичного источника питания.
При закрывании VT1 и открывании VT2, начало обмотки переключается с положительного на отрицательный полюс первичного источника питания. При этом будет наблюдаться симметричный процесс ранее рассмотренному – C3 будет разряжаться, а C2 заряжаться. Их общая точка первичной обмоткой будет стремиться подтянуться к минусу питания.
В результате описанных выше двух тактов работы преобразователя, в первичной обмотке будет создаваться переменное направление электрического тока, он будет возбуждать переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, а поток индуцирует переменное напряжение на вторичной обмотке.
В моменты коммутации на выводах первичной обмотки могут возникать импульсы напряжения, способные вывести из строя ключи, поэтому в целях защиты оба ключа шунтируются защитными диодами VD1 и VD2.
Мостовая схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя
Мостовая схема (мост) представляет из себя четыре плеча, сформированных ключами VT1-VT4. Мост имеет две диагонали. Одна диагональ подключается к первичному источнику питания. Ко второй диагонали подключена первичная обмотка I импульсного трансформатора T1.
Для создания первичной обмоткой переменного магнитного потока в сердечнике трансформатора производится поочерёдная коммутация пар ключей VT1, VT4 и VT2, VT3.
Защитные диоды VD1, VD2, VD5 и VD6 при возникновении коммутационных импульсов на первичной обмотке коммутируют её таким образом, что не снятая нагрузкой энергия магнитного поля возвращается к первичному источнику питания.
Мертвое время (пауза)
При снятии управляющего сигнала транзистору требуется некоторое время, чтобы полностью закрыться. Если ключ (пара ключей в мостовой схеме) ещё не закрыт, или закрыт не до конца, а второй ключ (пара ключей) открывается, то источник первичного питания оказывается шунтированным созданной цепью открытых ключей. При этом транзисторы будут выделять значительное количество тепла, работать в режиме перегрузок, или могут даже выйти из строя. Чтобы этого не случилось, между тактами включения вводят специальную паузу – время необходимое для полного запирания ключей, отработавших в завершённом такте. Это время называют «мёртвой паузой», или «мёртвым временем».
Режимы регулирования и стабилизации
Для всех рассмотренных схем импульсных преобразователей характерен общий принцип организации процесса регулирования и стабилизации выходных параметров – импульсная модуляция . На рисунке 18 представлена структурная схема организации процесса преобразования с контролем выходного напряжения и тока.
Первичный источник питания ПИ снабжает энергией схему импульсной модуляции СИМ и выходной каскад ВК. Схема импульсной модуляции формирует управляющий сигнал, передаваемый по каналу управления КУ. Выходной каскад ВК в результате преобразования питающего напряжения первичного источника ПИ выдаёт на нагрузку Н напряжение, контролируемое схемой контроля напряжения СКН. Ток нагрузки контролируется схемой контроля тока СКТ. Схемы контроля по каналам обратной связи КОСТ и КОСН формируют информационные сигналы на входах схемы импульсной модуляции СИМ. На основании этих сигналов СИМ формирует необходимые характеристики управляющего сигнала, подаваемого по каналу управления КУ выходному каскаду ВК.
Данная структурная схема отражает наиболее сложный вариант преобразователя, способного контролировать и регулировать сразу несколько параметров, таких как ток, напряжение и мощность нагрузки. В отдельных случаях достаточно более простого исполнения. Например, там, где требуется только стабилизация напряжения, можно исключить схему контроля тока, скажем, для питания маломощного электронного устройства. Там, где требуется только контроль тока, можно исключить схему контроля напряжения, что обычно требуется при создании источников питания для светодиодных матриц. Полная же схема с контролем напряжения и тока может пригодиться для разработки зарядных устройств, когда требуется ограничить и ток, и максимально допустимое напряжение, или вообще создать более сложный алгоритм работы преобразования с помощью использования микроконтроллерных схем.
Заключение
В импульсной технике есть много нюансов, которые приходится учитывать при проектировании, но это уже более узкие темы, требующие рассмотрения в конкретных решениях. Приведённая информация является общей, ознакомительной. Невозможно в одной статье охватить всё разнообразие и экзотику схемотехники. Но какое бы устройство Вам не пришлось рассматривать, основополагающие принципы практически не меняются. Поэтому, усвоив азы Вы уверенно разберётесь в схемотехнике любой сложности.
С уважением, Михаил Сташков.
Есть две категории любых импульсных преобразователей напряжения:С трансформатором
С накопительным дросселем
Преобразователь любой из этих двух категорий может быть как понижающим, так и повышающим, в устройствах с накопительным дросселем это зависит от схемы включения, в устройствах с трансформатором от коэффициента трансформации.
Импульсные преобразователи напряжения с накопительным дросселем
На выходе таких схем всегда будет или постоянное или пульсирующее напряжение.Переменное напряжение на их выходе не получить.
Сигнал который необходимо подавать в точку А1 по отношению к общему проводу:
Как работают импульсные преобразователи с накопительным дросселем?
Рассмотрим на примере повышающего преобразователя.Накопительный дроссель L1 подключен так, что при открывании транзистора T1 через них начинает протекать ток от источника "+ПИТ", при этом ток возрастает в дросселе не мгновенно, так как энергия запасается в магнитном поле дросселя.
После того как транзистор T1 закрывается, запасённой в дросселе энергии необходимо высвободится, это следует из физики явлений происходящих в дросселе, соответственно единственный путь этой энергии пролегает через источник +ПИТ, диод VD1 и нагрузку подключенную к ВЫХОДу.
При этом максимальное напряжение на выходе зависит только от одного - сопротивления нагрузки.
Если у нас идеальный дроссель и если нагрузка отсутствует, то напряжение на выходе будет бесконечно большим, однако мы имеем дело с далёким от идеала дросселем, по этому без нагрузки напряжение просто будет очень большим, возможно настолько большим что случиться пробой воздуха или диэлектрика между клеммой ВЫХОД и общим проводом, но скорее пробой транзистора.
Если дроссель желает высвобождает всю энергию которую накопил (за вычетом потерь), то как же регулировать напряжение на выходе таких преобразователей?
Очень просто - запасать в дросселе ровно столько энергии, сколько необходимо, что бы создать нужное напряжение на известном сопротивлении нагрузки.
Регулировка запасённой энергии производится длительностью импульсов открывающих транзистор (временем в течении которого открыт транзистор).
В понижающем преобразователе в дросселе происходят точно те же процессы, однако в этом случае при открывании транзистора дроссель не даёт напряжению на выходе увеличиться мгновенно, а после его закрывания, высвобождая запасённую энергию с одной стороны через диод VD1 а с другой через нагрузку подключенную к ВЫХОДу поддерживает напряжение на клемме ВЫХОД.
Напряжение на выходе такого преобразователя не может оказаться больше чем напряжение +ПИТ.
Импульсные преобразователи напряжения с трансформаторами
Само преобразование происходит в трансформаторе, при этом не важно на железе он - для низких частот; или на феррите - для высоких от 1кГц до 500 и выше кГц.Суть процессов всегда одинакова: если в первой обмотке трансформатора 10 витков, а во второй 20 и мы приложим переменное напряжение 10 вольт к первой, то во второй мы получим переменное напряжение той же частоты но 20 вольт и соответственно с 2 раза меньшим током чем течёт в первой обмотке.
То есть задача сводится к получению переменного напряжения, которое необходимо приложить к первичной обмотке, от источника постоянного тока питающего преобразователь.
Работает следующим образом:
когда транзистор T1 открыт, ток течёт через верхнюю половину обмотки - L1.1, затем транзистор T1 закрывается и открывается транзистор T2, ток начинает протекать через нижнюю половину обмотки - L1.2, так как верхняя половина обмотки L1 включена своим концом к +ПИТ а нижняя началом, то магнитное поле в сердечнике трансформатора при открытии T1 течёт в одну сторону, а при открытии T2 в другую, соответственно на вторичной обмотке L2 создаётся переменное напряжение.
L1.1 и L1.1 выполняются как можно более идентичными друг другу.
Преимущества:
Высокая эффективность при работе от низкого напряжения питания (через каждую половину обмотки и транзистор протекает только половина необходимого тока).
Недостатки:
Выбросы напряжения на стоках транзисторов равные удвоенному напряжению питания (например когда T1 открыт, а T2 закрыт, то ток течёт в L1.1 в свою очередь в L1.2 магнитное поле создаёт напряжение равное напряжению на L1.1 которое суммируясь с напряжением источника питания воздействует на закрытый T2).
То есть необходимо выбирать транзисторы на большее допустимое максимальное напряжение.
Применение:
Преобразователи, питающиеся от низкого напряжения (порядка 12 вольт).
Работает следующим образом:
когда транзистор T1 открыт, ток течёт через первичную обмотку трансформатора (L1) заряжая конденсатор C2, затем он закрывается и открывается T2, соответственно теперь ток течёт через L1 в обратном направлении, разряжая C2 и заряжая C1.
Недостатки:
Напряжение подводимое к первичной обмотке трансформатора в два раза ниже напряжения +ПИТ.
Приемущества:
Применение:
Преобразователи, питающиеся от бытовой осветительной сети, сетевые блоки питания (например: блоки питания компьютеров).
Работает следующим образом:
когда транзисторы T1 и T4 открыты, ток течёт через первичную обмотку трансформатора в одном направлении, затем они закрываются и открываются T2 и T3 ток через первичную обмотку начинает течь в обратном направлении.
Недостатки:
Необходимость установки четырёх мощных транзисторов.
Удвоенное падение напряжения на транзисторах (падения напряжения на смежных T1 T4/ T2 T3 транзисторах складываются).
Приемущества:
Полное напряжение питания на первичной обмотке.
Отсутствие выбросов удвоенного напряжения свойственных пуш-пулу.
Применение:
Мощные преобразователи, питающиеся от бытовой осветительной сети, сетевые блоки питания (например: импульсные сварочные "трансформаторы").
Общими проблемами для преобразователей на трансформаторах являются те же проблемы что и преобразователей на базе накопительных дросселей: насыщение сердечника; сопротивление провода из которого выполнены обмотки; работа транзисторов в линейном режиме.
Обратноходовые и прямоходовые импульсные преобразователи
Обратноходовой и прямоходовой импульсный преобразователь напряжения - это "гибриды" преобразователя на базе накопительного дросселя и трансформатора, хотя в сути своей это преобразователь на базе накопительного дросселя и об этом никогда не стоит забывать.
Принцип работы такого преобразователя схож с повышающим преобразователем на накопительном дросселе, с той лишь разницей, что нагрузка включена не непосредственно к дросселю, а к ещё одной обмотке, намотанной на сам дроссель.
Как и в повышающем преобразователе, в случае включения его без нагрузки, его выходное напряжение будет стремиться к максимуму.
Недостатки:
Выбросы напряжения на ключевом транзисторе создающие необходимость применения ключевых транзисторов на напряжение значительно превышающее +ПИТ.
Высокое напряжение на выходе в отсутствии нагрузки.
Преимущества:
Гальваническая развязка цепи питания и цепи нагрузки.
Отсутствие потерь связанных с перемагничиванием сердечника (магнитное поле течёт в сердечнике всегда в одну сторону).
Явления, о которых необходимо помнить при конструировании преобразователей напряжения (и импульсных устройств вообще)
Насыщение сердечника (магнитопровода) - момент когда магнитопроводящий материал сердечника дросселя или трансформатора уже настолько намагничен, что более уже не оказывает влияние на процессы протекающие в дросселе или трансформаторе. При насыщении сердечника индуктивность обмоток расположенных на нём стремительно падает, а ток через первичные обмотки начинает увеличиваться, при этом максимальный ток ограничен только сопротивлением проволоки обмотки, а оно выбирается как можно меньшим, соответственно насыщение как минимум приводит к нагреву и обмоток дросселя и силового транзистора, как максимум к разрушению силового транзистора.Сопротивление проводов обмоток
- вносит в процесс потери, так как препятствует запасанию и высвобождению энергии в магнитном поле, вызывает нагрев провода обмотки дросселя.
Решение: использование провода с минимальным сопротивлением (более толстый провод, провод из материалов обладающих малым удельным сопротивлением).
Работа силовых транзисторов в линейном режиме - в случае если генератор сигналов используемый для управления транзисторами выдаёт не прямоугольные импульсы, а импульсы с медленным нарастанием и спадом напряжения, что может быть если ёмкость затвора силовых транзисторов велика, а драйвер (специальный усилитель) не способен выдавать значительный ток для зарядки этой ёмкости, появляются моменты, когда транзистор находится в линейном режиме, то есть обладает неким сопротивлением отличным от нуля и бесконечно большого, в связи с чем через него течёт ток и на нём выделяется тепло ухудшая КПД преобразователя.
Специфические проблемы преобразователей напряжения с использованием трансформаторов
Впрочем, эти проблемы присущи любым устройствам с мощным двухтактным выходным каскадом.Сквозной ток
Рассмотрим на примере схемы полумоста - если по какой то причине транзистор T2 откроется ранее чем полностью успел закрыться T1, то возникнет сквозной ток от +ПИТ на общий провод, которые будет протекать через оба транзистора приводя к бесполезному выделению тепла на них.
Решение: создание задержки между тем как снизился до нуля потенциал на входе Г1 (см. схему полумоста) и возрос потенциал на входе Г2.
Такое время задержки называют дедтайм (dead time) и графически это можно проиллюстрировать осциллограммой:
Эффект Миллера
Опять же, рассмотрим на примере полумоста - когда транзистор T1 открывается то к транзистору T2 прикладывается напряжение, которое быстро возрастает (со скоростью открывания T1), так как это напряжение велико, то даже незначительная внутренняя ёмкость между затвором и истоком заряжаясь создаёт значительный потенциал на затворе, который открывает T2, пусть и на короткое время, но создавая сквозной ток, даже при наличии дедтайма.
Решение: применение мощных драйверов транзисторов, способных не только отдавать, но и принимать большие токи.
О чём не следует забывать
Понижающий преобразователь с накопительным дросселем, полумост и мост - схемы, которые не так просты, как кажутся на первый взгляд, прежде всего потому, что исток транзистора в понижающем преобразователе и истоки верхних по схеме транзисторов в мосте и полумосте находятся под напряжением питания.Как мы знаем, управляющее напряжение на затвор транзистора нужно подавать относительно его истока, для биполярных на базу относительно к эмиттера.
Решения:
Использование гальванически развязанных источников питания цепей затворов (баз):
Генератор G1 вырабатывает противофазные сигналы и формирует дедтайм, U1 и U2 драйверы полевых транзисторов, оптрон гальванически развязывает входную цепь верхнего драйвера с выходом генератора, который питается от другой обмотки трансформатора.
Применение импульсного трансформатора для гальванической развязки цепей затворов (баз):
Гальваническая развязка обеспечивается за счёт введения ещё одного импульсного трансформатора: GDT.
Есть и ещё один метод - "бустреп", но и он вам вряд ли понравится, для получения подробностей смотрите документацию к микросхеме IR2153, в частности метод получения напряжения питания для управления верхним по схемам ключевым транзистором.
Проектируя преобразователь, необходимо учитывать, что это импульсное устройство по проводникам которого текут значительные токи, которые резко изменяются и это устройство в котором создаются сильные магнитные поля - всё это создаёт благоприятную почву для возникновения целой серии помех в широком спектре.
При разводке печатных плат следует стремиться сделать все силовые проводники цепи максимально короткими и прямыми, электролитические конденсаторы шунтировать плёночными или керамическими на ёмкость 0,1 ... 1мкф в непосредственной близости от силовых элементов, для предотвращения просачивания высокочастотных помех в осветительную сеть, если устройство питается от сети, устанавливать по цепи подводки сетевого напряжения LC фильтры нижних частот.
Несмотря на множество непростых моментов, импульсные преобразователи напряжения применяются широко, а работающие на высокой частоте (десятки-сотни килогерц) обладают рядом преимуществ, так:
Высокий КПД, вплоть до 97%;
Малая масса;
Малые габариты.
Однако, цена подобного устройства средней мощности (300-500 Вт) составляет несколько тысяч рублей, а надежность многих китайских инверторов достаточно спорна. Изготовление своими руками простого преобразователя – это не только способ ощутимо сэкономить, но и возможность улучшить свои знания в электронике. В случае отказа же ремонт самодельной схемы окажется ощутимо проще.
Распространенные схемы
Простой импульсный преобразователь
Схема этого устройства очень проста , а большинство деталей могут быть извлечены из ненужного . Конечно, у нее есть и ощутимый недостаток – получаемое на выходе трансформатора напряжение 220 вольт далеко по форме от синусоидального и имеет частоту значительно больше, чем принятые 50 Гц. Напрямую подключать к нему электродвигатели или чувствительную электронику нельзя.
Для того, чтобы иметь возможность подключать к этому инвертору содержащую импульсные блоки питания технику (например, блок питания ноутбука), применено интересное решение – на выходе трансформатора установлен выпрямитель со сглаживающими конденсаторами . Правда, работать подключенный адаптер сможет только в одном положении розетки, когда полярность выходного напряжения совпадет с направлением встроенного в адаптер выпрямителя. Простые потребители типа ламп накаливания или паяльника можно подключать непосредственно к выходу трансформатора TR1.
Основа приведенной схемы – это ШИМ-контроллер TL494, наиболее распространенный в таких устройствах. Частоту работы преобразователя задают резистор R1 и конденсатор C2, их номиналы можно брать несколько отличающимися от указанных без заметного изменения в работе схемы.
Для большей эффективности схема преобразователя включает в себя два плеча на силовых полевых транзисторах Q1 и Q2. Эти транзисторы нужно разместить на алюминиевых радиаторах, если предполагается использовать общий радиатор – устанавливайте транзисторы через изоляционные прокладки. Вместо указанных на схеме IRFZ44 можно использовать близкие по параметрам IRFZ46 или IRFZ48.
Выходной дроссель наматывается на ферритовом кольце от дросселя, также извлекаемого из . Первичная обмотка мотается проводом диаметром 0,6 мм и имеет 10 витков с отводом от середины. Поверх нее наматывается вторичная обмотка, содержащая 80 витков. Также можно взять выходной трансформатор из сломанного источника бесперебойного питания.
Вместо высокочастотных диодов D1 и D2 можно взять диоды типов FR107, FR207.
Так как схема очень проста, после включения при правильном монтаже она начнет работать сразу и не потребует никакой настройки. Отдавать в нагрузку она сможет ток до 2,5 А, но оптимальным режимом работы будет ток не более 1,5 А – а это более 300 Вт мощности.
Готовый инвертор такой мощности стоил бы порядка трех-четырех тысяч рублей .
Эта схема выполнена на отечественных комплектующих и достаточно стара, но это не делает ее менее эффективной. Главное ее достоинство – это получение на выходе полноценного переменного тока с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц.
Здесь генератор колебаний выполнен на микросхеме К561ТМ2, представляющей собой сдвоенный D-триггер. Она является полным аналогом зарубежной микросхемы CD4013 и может быть заменена ей без изменений в схеме.
Преобразователь также имеет два силовых плеча на биполярных транзисторах КТ827А. Их главный недостаток по сравнению с современными полевыми – это большее сопротивление в открытом состоянии, из-за чего нагрев при той же коммутируемой мощности у них сильнее.
Так как преобразователь работает на низкой частоте, трансформатор должен иметь мощный стальной сердечник . Автор схемы предлагает использовать распространенный советский сетевой трансформатор ТС-180.
Как и другие инверторы на основе простых ШИМ-схем, этот преобразователь имеет на выходе достаточно отличающуюся от синусоидальной форму напряжения, но это несколько сглаживается большой индуктивностью обмоток трансформатора и выходным конденсатором С7. Также из-за этого трансформатор во время работы может издавать ощутимый гул – это не является признаком неисправности схемы.
Простой инвертор на транзисторах
Этот преобразователь работает по тому же принципу, что и перечисленные выше схемы, но генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор) в нем построен на биполярных транзисторах.
Особенность этой схемы в том, что она сохраняет работоспособность даже на сильно разряженном аккумуляторе: диапазон входных напряжений составляет 3,5…18 вольт. Но, так как в ней отсутствует какая-либо стабилизация выходного напряжения, при разрядке аккумулятора будет одновременно пропорционально падать и напряжение на нагрузке.
Так как эта схема также является низкочастотной, трансформатор потребуется аналогичный используемому в инверторе на основе К561ТМ2.
Усовершенствования схем инверторов
Приведенные в статье устройства крайне просты и по ряду функций не могут сравниться с заводскими аналогами . Для улучшения их характеристик можно прибегнуть к несложным переделкам, которые к тому же позволят лучше понять принципы работы импульсных преобразователей.
Увеличение выходной мощности
Все описанные устройства работают по одному принципу: через ключевой элемент (выходной транзистор плеча) первичная обмотка трансформатора соединяется с входом питания на время, заданное частотой и скважностью задающего генератора. При этом генерируются импульсы магнитного поля, возбуждающие во вторичной обмотке трансформатора синфазные импульсы с напряжением, равным напряжению в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков в обмотках.
Следовательно, ток, протекающий через выходной транзистор, равен току нагрузки, помноженному на обратное соотношение витков (коэффициент трансформации). Именно максимальный ток, который может пропускать через себя транзистор, и определяет максимальную мощность преобразователя.
Существуют два способа увеличения мощности инвертора: либо применить более мощный транзистор, либо применить параллельное включение нескольких менее мощных транзисторов в одном плече. Для самодельного преобразователя второй способ предпочтительнее, так как позволяет не только применить более дешевые детали, но и сохраняет работоспособность преобразователя при отказе одного из транзисторов. В отсутствие встроенной защиты от перегрузок такое решение значительно повысит надежность самодельного прибора. Уменьшится и нагрев транзисторов при их работе на прежней нагрузке.
На примере последней схемы это будет выглядеть так:
Автоматическое отключение при разряде аккумулятора
Отсутствие в схеме преобразователя устройства, автоматически отключающего его при критическом падении напряжения питания, может серьезно подвести Вас , если оставить такой инвертор подключенным к аккумулятору автомобиля. Дополнить самодельный инвертор автоматическим контролем будет крайне полезно.
Простейший автоматический выключатель нагрузки можно сделать из автомобильного реле:
Как известно, каждое реле имеет определенное напряжение, при котором замыкаются его контакты. Подбором сопротивления резистора R1 (оно будет составлять около 10% от сопротивления обмотки реле) настраивается момент, когда реле разорвет контакты и прекратит подачу тока на инвертор.
ПРИМЕР : Возьмем реле с напряжением срабатывания (U р) 9 вольт и сопротивлением обмотки (R о) 330 ом. Чтобы оно срабатывало при напряжении выше 11 вольт (U min) , последовательно с обмоткой нужно включить резистор с сопротивлением R н, рассчитываемым из условия равенства U р / R о =(U min — U р)/ R н. В нашем случае потребуется резистор на 73 ома, ближайший стандартный номинал – 68 ом.
Конечно, это устройство крайне примитивно и является скорее разминкой для ума. Для более стабильной работы его нужно дополнить несложной схемой управления, которая поддерживает порог отключения гораздо точнее:
Регулировка порога срабатывания осуществляется подбором резистора R3.
Предлагаем посмотреть видео по теме
Обнаружение неисправностей инвертора
Перечисленные простые схемы имеют две наиболее распространенных неисправности – либо на выходе трансформатора отсутствует напряжение, либо оно слишком мало.
- Первый случай – это либо одновременный отказ обоих плеч преобразователя, что маловероятно, либо отказ ШИМ-генератора. Для проверки воспользуйтесь светодиодным пробником, какой можно приобрести в любом магазине радиодеталей. Если ШИМ работает, на затворах транзисторов Вы увидите наличие сигнала по быстрым пульсациям свечения диода (особенно хорошо это заметно в низкочастотных схемах). При наличии управляющего сигнала проверьте, нет ли обрывов в соединениях трансформатора и целостность его обмотки.
- Большое падение напряжения – это явный признак отказа одного из силовых плеч инвертора. Найти отказавший транзистор можно простейшим образом – его радиатор останется холодным. Замена ключа вернет инвертору работоспособность.
Заключение
Как можно понять из материалов статьи, сделать своими руками несложный преобразователь 12 – 220 вольт не так и трудно.
И, хотя такие устройства и не смогут сравниться по набору дополнительных функций или привлекательности внешнего вида с заводскими, они обойдутся хозяину значительно дешевле. При соблюдении правил эксплуатации самодельный преобразователь будет работать очень долго, ведь в таком простом устройстве практически нечему ломаться.
Напоследок предлагаем посмотреть еще один видеоматериал, про изготовление устройства из БП компьютера
Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- - понижающие, повышающие, инвертирующие;
- - стабилизированные, нестабилизированные;
- - гальванически изолированные, неизолированные;
- - с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.
8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.
