Полумостовой инвертор в зарядном устройстве

Блоки питания радиоэлектронной аппаратуры строятся по схемам импульсного инвертирования (преобразования) сетевого напряжения в постоянное напряжение на нагрузке. В классическом трансформаторном варианте требуется мощное стабилизирующее устройство с применением габаритного трансформатора и охлаждающих радиаторов для диодных мостов и транзисторов стабилизатора выходного напряжения. Нескольких степеней защиты нагрузки от превышения выходного напряжения и тока, при пробое мощного регулирующего элемента, не всегда защищают от повреждения. Повышенное сетевое напряжение приводит к перегреву силового трансформатора и росту потерь мощности на регулируемых элементах стабилизатора.
Разработка импульсных питающих устройств — инверторов, позволило создать недорогие устройства с небольшим весом и габаритами.

Инверторы позволяют с низкими потерями передать энергию электросети в нагрузку с преобразованием её в любое желаемое напряжение и ток, защита элементов преобразователя от перегрузок не представляет собой сложных и мощных систем, и занимает минимальное место на плате преобразователя (1).
Напряжение питающей сети может отличаться от принятого в данном районе стандарта и позволять использовать прибор в районах с пониженным сетевым питанием.

Силовой ключ инвертора гальванически связан с электросетью через выпрямитель и фильтры сетевых помех.
Для преобразования высокого постоянного напряжения сети в низкое напряжение нагрузки служит высокочастотный преобразователь.
Назначение такого устройства заключается в передаче энергии в нагрузку без потерь с применением высокочастотного преобразования тока.
Для гальванического разделения напряжения сети от напряжения нагрузки служит высокочастотный трансформатор на сердечнике из феррита — прессованных окислов железа с повышенными магнитными свойствами.
В практике также используются инверторы без применения переходного трансформатора, единственным условием применения таких устройств является соблюдение техники безопасности при эксплуатации из-за присутствия высокого напряжения электросети.
В схеме инвертора происходит тройное преобразование тока: выпрямление напряжения сети в постоянное напряжение, преобразование постоянного высокого напряжения в импульсное высокочастотное, преобразование высоковольтного высокочастотного напряжения в низковольтное с последующим выпрямлением и стабилизацией.

Стабилизация выходного напряжения выполнена введением отрицательной обратной связи с выхода инвертора на вход широтно-импульсного генератора преобразователя с элементом гальванической развязки оптопарой.
Изменение скважности импульсов генератора позволяет в ручном и автоматическом режиме поддерживать заданное выходное напряжение.
Полумостовой преобразователь напряжения выполняется на биполярных или полевых транзисторных ключах, по схеме полумостового 2-хтактного усилителя.

 Характеристика устройства:
Напряжение сети 160-240 Вольт.
Мощность 150ватт
Вторичное напряжение 13,8 Вольт
Ток нагрузки средний 10 Ампер
Вес устройства 370 грамм.
Частота преобразователя 27кГц.
КПД 91%

В схему инвертора входят:
1. Сетевой высоковольтный выпрямитель с фильтрами помех преобразования.
2.Элементы ограничения тока заряда конденсаторов сетевого фильтра.
3. Элементы защиты от импульсных помех высокого уровня.
4. Цепи преобразования вторичного напряжения.
5. Элементы индикации преобразования.
6. Элементы цепи обратной связи с оптоэлектронным усилителем ошибки и гальваническим разделением цепей.
7. Транзисторный инвертор напряжения с переходным высокочастотным трансформатором.
8. Генератор прямоугольных импульсов на аналоговом таймере.
9. Параметрический стабилизатор напряжения питания генератора.
10. Широтно-импульсный модулятор на транзисторе.
11. Широтно- импульсный регулятор выходного напряжения.

 По сравнению с однотактными преобразователями напряжения, в схеме 2-хтактного преобразователя снижены требования к характеристикам ключевых транзисторов – понижено в два раза допустимое напряжение, снижены требования к утилизации обратных токов обмоток трансформатора, отсутствует постоянный ток подмагничивания обмоток — что позволяет увеличить выходную мощность устройства вдвое, без существенных дополнительных затрат.

Описание работы элементов схемы

Генератор прямоугольных импульсов выполнен на аналоговом интегральном таймере DA1(Рис.1). В схеме устройства полумостового инвертора желательно использовать таймер с пониженным энергопотреблением (2). Микросхема DA1 соответствует конструктивным требованиям и обладает стабильной работой в широком диапазоне питающих напряжений, имеет мощный выход и малое потребление тока. Внутренняя структура состоит из функциональных узлов: 2-х операционных усилителей, работающих в качестве компараторов (вход2 и 6); RS — триггера; выходного усилителя для повышения нагрузочной способности; ключевого транзистора с открытым коллектором (вывод 7); вывод сброса в нулевое состояние (4); вывод прямого доступа к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания — модификации схемы (5).

Выводы схемы таймера DA1 обозначены в процессе описания устройства, исходя из их использования в работе принципиальной схемы.

Таблица 1. Параметры аналогов таймера:

Тип таймера

U-питания

I-потр.мА

U-вых макс.

F-мГц

Примечание

ISM7555

2-18

0.3

14,6

2

-25…+85С

ALD555DA

2-12

0,2

4,2

2

-55…+125

LMC555

1,5-15

0,4

11,3

3

-65…+150

ТS555C

2-16

0,27

4,6

2,7

0…+70

TLC555C

2-15

0,8

14,2

2,1

0…+70

XR-L555CR

2,7-15

0,3

12,5

0,5

-55…+125

С понижением напряжения источника питания ток потребления микросхемой падает, частота преобразователя меняется незначительно — не более 1%.
При снижении напряжения на выводе 5DA1 — модификации таймера, длительность выходного импульса сокращается, что приведёт к уменьшению среднего тока зарядки аккумулятора.
Применение интегрального таймера позволяет довольно просто выполнить генератор импульсов. Процесс заряд — разряда внешнего конденсатора C1 происходит циклически. Регулятор скважности импульсов R1 позволяет изменять выходное напряжение на нагрузке ХТ1-ХТ2.

Заряд конденсатора С1 происходит через диод VD1 и резисторы R1,R2, разряд через диод R1,R2,VD2, R4.Частота генератора при этом не меняется. Регулируется лишь ширина импульсов.
При необходимости частоту следования импульсов можно модифицировать изменением ёмкости конденсатора C1.
Для работы микросхемы в режиме автогенератора входы 2DA1 и 6DA1, внутренних компараторов соединены вместе. Заряд внешнего конденсатора С1 сопровождается повышением напряжения на нём до уровня 2/3 напряжения питания, а высокий уровень напряжения на выходе 3DA1 переключается на низкий. При падении напряжения на конденсаторе С1 до уровня 1/3 напряжения питания (за счёт разряда через внутренний транзистор микросхемы — вывод 7DA1), через цепь R1,R2,VD2,R4 внутренний триггер вновь переключит выход 3 DA1 на высокий уровень, с последующим зарядом конденсатора С1.

Индикатор HL1 визуально указывает на наличие высокого уровня на выходе 3DA1.
Отношение интервала высокого уровня к полному периоду называется скважностью или рабочим циклом и зависит от значения сопротивления цепей заряда и разряда конденсатора С1.

Инвертор напряжения:
Импульс положительной полярности с выхода 3DA1 через ограничительный резистор R4 поступает на базу биполярного транзистора VT1 широтно-импульсного усилителя.
Транзистор VT1 открывается и переключает транзисторы VT2,VT3 в противоположные состояния проводимости.
Смена высокого уровня вывода 3DA1 на нулевой сопровождается закрытием проводимости транзистора VT2 и открытием транзистора VT3. В точке соединения VT2,VT3, VD5,VD6,R16,1T1 формируется прямоугольный импульс.
Резисторы R11,R12 и конденсаторы C4,C5 в базовых цепях транзисторов VT2,VT3 снижают уровень сквозного тока, выводят транзисторы из насыщения в момент переключения транзисторов, что также снижает потери в цепях управления и нагрев транзисторов.

Дополнительные условия переключения создаются подключением разрядного транзистора таймера ( вывод 7DA1 ) к базе транзистора VT1, открытие транзистора происходит с некоторой задержкой созданной резистор R4, а выключение с меньшим временем, что положительно сказывается на переключение выходных транзисторов преобразователя напряжения. Применение пропорционально — токового управления транзисторными ключами в сочетании с насыщающимся коммутирующим трансформатором позволяет в момент переключения автоматически выводить транзисторы из насыщения.
Демпфирующие диоды VD5,VD6 подключены параллельно транзисторам VD2,VD3 и защищают от импульсов обратного напряжения, в некоторых транзисторах они установлены в корпусе, но в паспортных данных это не всегда отражено.

Таблица 2. Замена транзисторов:

Транзистор

Uк- напряжение

Ток коллектора

Pk
мощность

h21
усиление

T вкл.мск

Корпус

2SC4242

450

7

40

10

1

ТО-220

2SC 3833

500

12

100

10

1

MT100

2SC3527

500

6

100

15

1

TOP-3F

2SC3306

500

10

100

10

1

TOP-3F

2SC3040

500

8

80

15

1

TO-3PB

2SC2898

500

8

50

15

0.8

TO-220

Транзисторы Т2,Т3 необходимо установить на радиатор через прокладки и изолированные шпильки. Высокочастотный трансформатор T1 применён без переделки от компьютерного блока питания типа ТХ.
Разделительный конденсатор C8 устраняет протекание через первичную обмотку 1Т1    постоянной составляющей при возможно разных характеристиках выходных транзисторов VT2,VT3 и конденсаторов фильтра С9,С10.
Конденсатор С7 с резистором R16 создают цепь, снижающую помехи преобразования, устраняют выбросы обратного напряжения, созданные в момент переключения тока обмотки трансформатора 1Т1.

Питание цепей инвертора:
Конденсаторы фильтра C9,C10 с разрядными резисторами R18,R19 создают искусственную среднюю точку высокого напряжения для трансформатора инвертора, Питание генератора импульсов выполнено через ограничительный резистор R6, R10, ввиду малого потребления генератором импульсов на таймере DA1 тока питания. Напряжение питания генератора стабилизировано стабилитроном VD3.
Сетевое напряжение, прежде чем попасть на диодный мост VD9 проходит ограничение от импульсных токов заряда конденсаторов фильтра C9,C10. Ограничение тока выполнено на резисторе RT1, его высокое сопротивление в «холодном» состоянии переходит в низкое по мере разогрева токами заряда конденсаторов фильтра.
Резистор RU1 шунтирует выбросы напряжения реверсивно поступающие при работе преобразователя в сети. Назначение трансформатора Т2 позволяет устранить проникновение импульсных помех преобразования в сеть и удлинить время запуска инвертора, на период зарядки конденсаторов С9,С10 сглаживающего фильтра.

Цепи питания нагрузки:
Высокочастотные мощные выпрямительные диоды VD7,VD8 позволяют передать мощность преобразователя в нагрузку в виде автомобильного аккумулятора, с контролем напряжения посредством светодиода HL2 и гальванического индикатора тока РА1 с внутренним шунтом на 10 ампер. Защита инвертора от перегрузки выполнена на предохранителе FU1. Аккумулятор подключается к клеммам ХТ1 и ХТ2, в соответствующей полярности, многожильным проводом в виниловой изоляции сечением 2-4мм.
Ток заряда аккумулятора устанавливается, согласно инструкций, завода изготовителя и рекомендаций по восстановлению аккумуляторов.
Конденсатор С6 снижает уровень помех в цепях зарядного тока аккумулятора.

Цепь стабилизации выходного напряжения:
Для поддержания определённого уровня напряжения и тока на нагрузке в схему введена цепь отрицательной обратной связи со вторичных цепей нагрузки на вход 5DA1 таймера генератора импульсов. Выходное напряжение инвертора с конденсатора C6 через мост на резисторах R13 R14R15 поступает на светодиод оптопары DA2..Гальваническое разделение первичных и вторичных цепей устраняет электротравмы.

Усиление, создаваемое оптопарой DA2 позволяет обойтись без дополнительного усилителя в цепи ошибки. Усиленный внутренним фототранзистором оптопары сигнал ошибки увеличивает ток в цепи открытого транзистора оптопары, вход 5DA1 шунтируется оптопарой на общий провод, напряжение на входе верхнего компаратора (6DA1 ) падает, он переключает внутренний триггер при меньшем напряжении на конденсаторе С1, среднее значение тока в нагрузке снижается. Температурную зависимость устройства можно дополнительно выполнить при установке вместо резистора R15 — терморезистор, укреплением его, через прокладку на радиатор транзисторов. Снижение напряжения нагрузки устраняет шунтирование входа верхнего компаратора по входу 5DA1, ток в нагрузке возрастёт до исходной величины.

Радиокомпоненты:
Радиодетали в схеме зарядного устройства установлены заводского исполнения, многие радиокомпоненты взяты от списанных мониторов и компьютеров, покупных деталей в устройстве практически нет. Выполнить трансформатор инвертора можно по рекомендациям в журналах ( 4), но сложно, проще взять трансформатор от монитора или блока питания компьютера.

Порядок сборки:
Печатные платы с радиокомпонентами инвертора и сетевого выпрямителя с цепями защиты монтируют в корпус на стойки, амперметр закрепляют в предварительно вырезанное отверстие, рядом в отверстия крепят клеем индикаторы HL1,HL2 — состояния схемы и регулятор R1 тока (скважности).
Выключатель SA1 и предохранители FU1, FU2 крепят в отверстиях корпуса.

Регулировка схемы:
Чтобы избежать неприятности, перед включением вместо предохранителя подпаивается лампочка от холодильника 220Вольт 15 ватт (3). Вместо нагрузки подключается лампочка от автомобиля 12Вольт 50свечей. Слабый накал лампочки холодильника указывает на рабочее состояние схемы. Через несколько секунд работы, после отключения от сети проверяются на нагрев транзисторы, если температура повышенная, выясняются причины возможного повреждения элементов и их замена на исправные. Резистором R14, при среднем положении движка резистора R1, устанавливается выходное напряжение 13,8 Вольт под нагрузкой. При повороте движка резистора R1 яркость лампочки нагрузки должна изменяться. При недостаточном охлаждении установленных на радиаторы транзисторов и диодов выпрямителя вторичного напряжения, на корпус зарядного устройства дополнительно устанавливается вентилятор, лучше для этого использовать корпус от устаревшего блока питания компьютера. Порядок зарядки и восстановления кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов описан в методическом пособии автора (5).

Использованная литература:
1. В.Сорокоумов. Импульсное зарядное устройство. Радио№8,2004 стр.46.
2. И.П.Шелестов. Радиолюбителям полезные схемы. книга 5.стр108. Солон-Пресс.2003г.
3. Б.Соколов. Усовершенствование электронного балласта. Радио №6, 2006 стр27.
4. А.Петров. Импульсный блок питания. Радиомир. №7/2002 стр.12.
5. Владимир Коновалов. «Автомобили и аккумуляторы». Методическое пособие Центра ДТТ. г.Иркутск 2009г. 70 стр.

Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот

DA1
Программируемый таймер и осцилляторLMC5551
VT1
Биполярный транзисторКТ940А1
VT2, VT3
Биполярный транзистор2SC42422
VD1, VD2
ДиодКД512Б2
VD3
СтабилитронКС215Ж1
VD4
СтабилитронКС133А1
VD5, VD6
Выпрямительный диодFR1552
VD7, VD8
ДиодКД213Б2
VD9
Диодный мостRS406L1
DA2
ОптопараLTVD8171
С1
Конденсатор2200 пФ1
ПодборС2
Электролитический конденсатор100 мкФ 16 В1
С3
Конденсатор0.01 мкФ1
С4, С5, С12
Конденсатор0.1 мкФ3
С6
Электролитический конденсатор470 мкФ 25 В1
С7
Конденсатор2000 пФ1
С8
Конденсатор1 мкФ 400 В1
С9, С10
Электролитический конденсатор100 мкФ 160 В2
С11
Конденсатор0.1 мкФ 600 В1
R1
Переменный резистор100 кОм1
R2
Резистор2.4 кОм1
R3
Резистор1.6 кОм1
R4
Резистор240 Ом1
R5
Резистор1.2 кОм1
R6
Резистор47 кОм1
1 ВтR7
Резистор12 кОм1
R8
Резистор2.7 кОм1
0.5 ВтR9
Резистор510 Ом1
0.5 ВтR10
Резистор1.2 кОм1
1 ВтR11, R12
Резистор100 Ом2
R13
Резистор510 Ом1
R14
Подстроечный резистор1 кОм1
R15
Резистор1.5 кОм1
R16
Резистор240 Ом1
0.5 ВтR17
Резистор2.2 кОм1
R18, R19
Резистор220 кОм2
0.5 ВтRT1
Терморезистор16 Ом1
RU1
Варистор410 В1
HL1
СветодиодАЛ307БМ1
HL2
СветодиодАЛ307В1
T1
Трансформатор1
T2
Трансформатор1
FU1
Предохранитель10 А1
FU2
Предохранитель3 А1
SA1
Выключатель1
PA1
Амперметр10 А1
ХТ1, ХТ2
Разъем2
ХТ3, ХТ4
Вилка сетевая1
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

• polumost_inverter.rar (36 Кб)