Резонансный преобразователь напряжения своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 19.09.2024

Первой и основной целью моей работы было сделать повышающий преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт. То есть, усложнять себе задачу я не собирался, поэтому предлагаемый мной вариант сборки имеет одно неоспоримое достоинство: он крайне прост.

Рис.1: Импульсный преобразователь напряжения.

Прибор строится по двухтактной схеме. Для воплощения данной схемы мне понадобилось только два полевых транзистора без задающих генераторов. По этой причине, даже при отсутствии соответствующего опыта, вам не составит труда собрать преобразователь напряжения своими руками.

Тот преобразователь напряжения, который собирал я, можно, пожалуй, отнести к категории резонансных, поскольку рабочая частота зависит от колебательного (LC) контура. А в качестве катушки используется первичная обмотка трансформатора, параллельно которой установлен конденсатор небольшой ёмкости на 2,2 мкФ (400 Вольт). Но в любом случае, даже при самом плохом стечении обстоятельств вы сможете настроить ваш прибор на необходимую частоту экспериментальным путём. Кроме того, частоту преобразователя напряжения можно отрегулировать затворными ограничительными резисторами.

В качестве силовых ключей использовал довольно мощные канальные полевые транзисторы высоковольтного типа (примерно 200 Вольт). Но вы, в случае со своим собственным устройством, вполне можете заменить их на низковольтные.

Не забывайте, что мощность конечно же, в первую очередь определяется трансформатором и полевыми транзисторами. Точно могу сказать, что по выполненной мной схеме можно получать до 0,5 кВт выходной мощности. По-моему, неплохо, если собираешь простенький преобразователь напряжения своими руками.

На самом деле, я при сборке данной схемы был далеко не оригинален, подобные преобразователи и схемы к ним встречаются везде и их трудно не заметить, и не опробовать.

К самой плате генератора помимо транзистора подсоединяются также стабилитроны , которые стабилизируют затворное напряжение. Для этой цели подходят элементы мощностью 0,5 ватт, 1 ватт, 1,3 ватт. Они не имеют склонности перегреваться, хотя конечно будет лучше, если вы возьмёте более мощные экземпляры. Напряжение стабилизации у стабилитрона должно быт от 10 вольт до 15 вольт. Сам я воспользовался стабилитронами на 15 вольт.

Конкретные параметры данного элемента нет необходимости учитывать. По сути, и сами эти элементы можно просто изъять из схемы преобразователя напряжения. Конечно, цепь будет работать не так хорошо, как если бы все составляющие были на месте, но всё же функционировать она от этого не перестанет.

Существуют затворные ограничители на 470 Ом, я брал на 390 Ом, и здесь возможны отклонения от 100 до 470 Ом. Также мною были применены диоды ультрабыстрого типа. Подойдут сюда также и просто быстродействующие диоды с током минимум в 1А 9при желании можно использовать и более мощные экземпляры.

Если использовать один общий теплоотвод для транзисторов, обязательно нужно изолировать их специальными слюдяными прокладками и изолирующими шайбами.

Я сделал два раздельных теплоотвода для транзисторов преобразователя напряжения, поэтому они не будут сильно нагреваться даже к тех случаях, когда задействована максимальная мощность. Возможен небольшой перегрев входного дросселя, поэтому его необходимо будет обмотать проводом диаметром до двух миллиметров.

в идеале метод, использующий широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), является ответом на поиски практически совершенного стабилизированного источника питания. Мы уже говорили, что в импульсном источнике ключ либо включен, либо выключен и управление осуществляется с нулевым рассеянием мощности, в отличие от линейного стабилизатора, где стабилизация происходит из-за рассеяния мощности в проходном элементе. В реальных условиях, широтно-импульсная модуляция дает разумный подход к переключению без потерь за счет более низкой частоты переключения, например, в диапазоне 20 – 40 кГц. Глядя на ситуацию с другой стороны, может сказать, почему этот частотный диапазон так долго был популярен.

От самого начала стабилизации с помощью ШИМ, конструкторы пытались продвигаться в сторону более высоких частот, поскольку при этом можно уменьшить размеры, вес и стоимость магнитного сердечника и конденсаторов фильтра. При высокой частоте переключения появляются и другие преимущества. Используя более высокие частоты можно ожидать уменьшение радиопомех и электромагнитных шумов; можно ожидать меньших проблем при экранировке, развязке, изоляции и ограниче-

НИИ в схеме. Можно также ожидать более быстрого срабатывания, а также снижения выходного сопротивления и величины пульсаций.

Главным препятствием на пути применения более высоких частот были практические трудности создания быстрых и достаточно мощных переключателей. Из-за того, что невозможно достичь мгновенного включения и выключения коммутатора, на нем во время переключения имеется напряжение и одновременно через него протекает ток. Другими словами, трапецеидальные, а не прямоугольные колебания характеризуют процесс переключения. Это, в свою очередь, приводит к потерям переключения, которые сводят на нет теоретически высокий к.п.д. идеального коммутатора, который мгновенно включается, имеет нулевое сопротивление во включенном состоянии и мгновенно выключается. На рис. 18.2 сравнивается ШИМ и режим переключения в резонансном режиме, который будет рассмотрен подробнее.

Рис. 18.2. Осциллограммы, показывающие разницу между ШИМ и резонансным режимом. При ШИМ потери переключения появляются из-за одновременного протекания тока через коммутатор и наличия напряжения на нем. Обратите внимание, что эта ситуация отсутствует при резонансном режиме работы, который для стабилизации напряжения использует частотную модуляцию (ЧМ).

Из вышесказанного очевидно, что на идеальном переключателе не должно быть никакого падения напряжения во время включенного состояния. Все эти рассуждения говорят о том, что высокий к.п.д. был трудно достижимой задачей, особенно при высоких частотах переключения до тех пор, пока не был достигнут прогресс в создании импульсных полупроводниковых приборов. Следует указать также, что одновременно был необходим прогресс в создании других устройств, таких как диоды, трансформаторы и конденсаторы. Надо отдать должное работникам всех областей техники за то, что частота переключения при использовании широтно-импульсной модуляции была повышена до 500 кГц. Тем не менее, на высоких частотах, скажем на частоте 150 кГц, лучше рассмотреть другой метод. Итак, мы приходим к резонансному режиму работы источника питания.

Стабилизированный источник питания, использующий резонансный режим, действительно представляет собой большой скачок вперед в развитии технологии. Хотя надо сказать, что использование резонансных явлений в инверторах, преобразователях и источниках питания предшествует эре полупроводников. Оказалось , что при использовании резонансных явлений часто удавалось получить хорошие результаты. Например, в первых телевизорах необходимые высокие напряжения для кинескопа получали с помощью радиочастотного источника питания. Это был работающий на частоте от 150 до 300 кГц генератор синусоидальных колебаний на электронной лампе, в котором повышение переменного напряжения достигалось в резонансном радиочастотном трансформаторе. По существу подобные схемы все еще используются для создания напряжений, по крайней мере, несколько сотен тысяч вольт для различных промышленных и научно-исследовательских целей. Более высокие напряжения часто достигаются благодаря совместному применению резонансного режима работы и диодного умножителя напряжения.

Также давно было известно, что резонансные выходные цепи инвертора стабилизируют работу электродвигателей и сварочного оборудования. Обычно в разрыв провода, ведущего от источника постоянного напряжения к инвертору, включалась катушка с большой индуктивностью. При этом инвертор ведет себя по отношению к нагрузке как источник тока, что дает возможность легче удовлетворить условию существования резонансных явлений. В этом случае существующие тиристорные инверторы правильнее назвать квазирезонансными — колебательный контур периодически подвергается ударному возбуждению, но непрерывные колебания отсутствуют. Между импульсами возбуждения, колебательный контур отдает запасенную энергию в нагрузку. Примеры упоминавшихся схем приведены на рис. 18.3, 18.4 и 18.5.

Стоит повторить, что в источниках питания и инверторах иногда использовалось благотворное влияние резонансных свойств дросселя в выходном фильтре. И последнее, несмотря на впечатляющий прогресс по сравнению с примитивными источниками питания, здесь, тем не менее, имеются вредные последствия нежелательных резонансов. Они проявляются в виде паразитных колебаний, радиопомех, электромагнитных шумов, бросков напряжения и связанных с ними сбоев в работе схемы, что снижает к.п.д., а также повреждает или даже разрушает активные и пассивные компоненты схемы.

Из сказанного выше должно бьггь ясно, что широкое использование резонансного режима работы началось после создания специализированных ИС управления. Эти ИС освободили конструкторов от проблем со сбоями, которые неизбежно сопутствуют стремлению использовать резонансный режим на частотах несколько сот килогерц ити несколько МГц, где малые размеры компонент могут дать заметное сокращение габаритов, веса и стоимости.

Рис. 18.3. Пример резонансного высоковольтного источника, работающего в радиочастотном диапазоне. Это восстановленная старая схема использует электронные лампы в генераторе Мейснера. Рабочая частота определяется повышающей обмоткой Z1 и ее собственной распределенной емкостью. Никакой стабилизации частоты не предусматривается.

Рис. 18.4. Пример запускаемого током инвертора с резонансным контуром на выходе. Обратите внимание на присутствие катушки с большой индуктивностью L в цепи питания и конденсатора, входящего в состав резонансного контура на выходе. Подобный метод применим и к инверторам с самовозбуждением. Эти схемы обычно не имеют стабилизации.

Рис. 18.5. Пример квази-резонансного инвертора с одним тиристором. Выбирая соответствующий тиристор, можно получить выходную мощность нескольких киловатт и частоту переключения около 30 кГц. Если частота пульсаций немного ниже резонансной частоты последовательного XС-контура, то на нагрузке будет хорошее синусоидальное напряжение. Стабилизация в схеме отсутствует. General Electric Semiconductor Products Dept.

Рис. 18.6 иллюстрирует резонансный режим работы. Сигнал ошибки получен также, как в источниках питания с ШИМ, то есть как разность между выходным и опорным напряжениями. Это напряжение рассогласования поступает на генератор, управляемый напряжением, выходной сигнал которого запускает ждущий мультивибратор. Схема модуляции, по существу, является преобразователем напряжение – частота. Импульсы ждущего мультивибратора, имеющие фиксированную длительность и переменную частоту повторения, поступают на вход коммутато-ра(ов). Часто на выходе ждущего мультивибратора включают усилитель мощности, чтобы обеспечить более высокое мгновенное значение тока и низкое сопротивление. В качестве коммутаторов обычно применяется один или два мощных МОП-транзистора.

Выход коммутатора(ов) связан с резонансным Z С-контуром и выходным трансформатором. Видно, что амплитуда почти синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, зависит от близости резонансной частоты ZС-контура к величине, обратной фиксированной длительности импульсов переменной частоты, поступающих от коммутатора. Таким образом, стабилизацию постоянного выходного напряжения можно реализовать с помощью частотной модуляции. Слишком высокая добротность Z С-контура будет препятствовать выделению мощности, а очень низкая вызовет чрезмерно большие пиковые значения тока в коммутаторе.

Рис. 18.6. Упрощенная схема резонансного стабилизированного источника питания. В первом приближении можно считать, что здесь вместо широтно-импульсного модулятора в популярном ШИМ стабилизаторе применен преобразователь напряжение – частота.

Резонансный режим может быть получен разными путями: можно использовать или последовательный, или параллельный L С-контур. А номинальная рабочая частота может быть как ниже, так и выше собственной резонансной частоты Z С-контура. В любом случае стабилизация требует работы на падающем участке резонансной кривой. На рис. 18.6, индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора достаточно высока, так что практически не влияет на резонансную частоту Z С-контура.

Не всегда с первого взгляда на схему можно сказать, что используется резонансный режим, потому что на принципиальной схеме могут отсутствовать в явном виде индуктивность или емкость, а иногда и то и другое. В таких случаях используются паразитные реактивные сопротивления, такие как индуктивности рассеяния выходного трансформатора, а также паразитная или распределенная емкость. Иногда используется выходная емкость коммутатора. В некоторых случаях параллельный колебательный контур образуется вторичной обмоткой выходного трансформатора и либо подключенным к ней конденсатором, либо паразитной емкостью.

Для того, чтобы избежать недоразумений из-за неаккуратных высказываний в технической литературе, хорошо бы вспомнить следующие факты, относящиеся к резонансным стабилизаторам:

— В резонансном Z С-контуре колебания всегда происходят на его резонансной частоте независимо от частоты импульсов, с помощью которых осуществляется ударное возбуждение. Однако в большинстве случаев условия для существования свободных колебаний отсутствуют. На схему выпрямителя поступают полупериоды синусоидального колебания.

— Использовать можно как последовательные, так и параллельные резонансные контуры. Иногда, на принципиальной схеме нет в явном виде катушки индуктивности или конденсатора, входящих в состав резонансного контура. В таких случаях используется индуктивность рассеяния трансформатора или паразитная емкость. Имеются также схемы, в которых конденсатор включается во вторичной обмотке выходного трансформатора, а не в первичной. Несколько схем показано на рис. 18.7.

— Одна из наиболее популярных схем использует последовательный резонансный контур, в котором выходную мощность получают от конденсатора через высокоомную первичную обмотку выходного трансформатора. Такой источник соответственно называется преобразователем или стабилизатором с последовательным резонансом и параллельной нагрузкой. К сожалению, иногда об этих устройствах говорят как о схемах с параллельным резонансом (рис. 18.7В).

— В идеале существует два способа получения почти нулевых потерь при коммутации. Один с переключением при нулевом токе, который является наиболее популярным и допускает работу с частотами около 2 МГц, а другой с переключением при нулевом напряжении, позволяющий работать на частоте до 10-МГц. Переключение при нулевом токе использует для ударного возбуждения контура импульсы постоянной длительности и переменной частотой повторения. Фиксированный интервал времени между импульсами используются в режиме переключения с нулевым напряжением.

— Чаще всего (особенно при переключении с нулевым током) диапазон изменения частоты распространяется от низких частот до 80 % от резонансной частоты контура. Это обеспечивает время, достаточное для того, чтобы ток катушки индуктивности уменьшился до нуля или стал отрицательным. Импульс, определяющий время включенного состояния.

заканчивается, когда ток принимает отрицательное значение; момент его окончания не очень критичен. Отрицательный ток катушки индуктивности подразумевает, что ток теперь течет не через мощный МОП-транзистор, а через фиксирующий диод. Длительность импульса определяется RC-цепью, подключенной к управляющей ИС. Величины R и С удобно определять по графикам, предоставляемым изготовителем ИС. Типичные данные, иллюстрирующие выбор величины RC для определения длительности импульса, а также частоты генератора показаны на рис. 18.8.

Рис. 18.7. Различные варианты извлечения мощности из резонансного контура. R обычно представляет собой комбинацию выпрямителя, фильтра и нагрузки. (А) Низкоомная нагрузка с выходным трансформатором и без него. (В) Высокоомная нагрузка с выходным трансформатором и без него. (С) Резонанс и извлечение мощности путем использования паразитных реактивностей.

Рис. 18.8. Примеры графиков для определения параметров резонансного стабилизированного источника. Эти кривые соответствуют ИС GP605, но типичны для схем других изготовителей. (А) Допустимые комбинации емкости и сопротивления в зависимости от максимальной частоты генератора. (В) Допустимая емкость в зависимости от минимальной частоты генератора. (С) Комбинация резистора и емкости для выбранной длительности импульса. В зависимости от того, имеем дело со схемой А или В, ЛС-цепи будут разными. Gennum Соф.

LC-контура. Удоалетворсние этого требования приводит к некоторому уменьшению выходной мощности.

— В резонансные источники питания часто вводят защиту по току, что делает их похожими на источники с ШИМ, имеющими такую защиту. Действительно, можно найти ссылку на работу резонансного источника S режиме ограничения тока. Однако имеется существенное отличие. В системе с ШИМ учитывается нарастание тока, и ограничение максимального тока источника происходит в любой момент в пределах всего цикла. В резонансном источнике, учитывается часть синусоидального колебания; это допускает ограничение максимального тока ИИП, но не мгновенно. 8 обоих случаях доспигается защита, но в резонансных источниках не так быстро или точно, как в источниках с ШИМ, имеющих токовую защиту. В источниках с ШИМ слежение за величиной тока реализует стабилизацию с прямой связью; в резонансных источниках считы-ватше величины тока приводит к использованию метода выключения.

— Последнее, но самое существенное, коммутаторы в резонансных ИИП не испытывают одновременного воздействия напряжения и тока во время процесса переключения. Это приводит к высокому к.п.д. со значительным уменьшением р^ассеиваемой мощности в коммутаторах, что в свою О’щ^едь ©сдабляет температурные ароблемы, сптеобствуя высокой плотности компоновки элементов.

Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с каждым годом повышают интерес к альтернативным источникам энергии. Один из вариантов решения этой проблемы — солнечная энергетика. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию России только за три дня, больше годовой выработки электроэнергии по всей стране. Около 15% этой энергии может быть преобразовано в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей. Солнечные электростанции не зависят от наличия топлива, не выделяют вредных веществ, не загрязняют окружающую среду и не производят шума при работе, вследствие чего являются самыми экологически чистыми источниками электроэнергии. Расходы по обслуживанию солнечных батарей сводятся к плановой очистке их поверхностей, замене инверторов и аккумуляторов (примерно раз в 10 лет). Солнечные электростанции обладают высокой рентабельностью, даже несмотря на сравнительно низкие тарифы на электроэнергию. На сегодня основные усилия производителей направлены на повышение КПД, снижение стоимости, создание универсальной панели, называемой также солнечным модулем, которая способная воспринимать широкую область солнечного спектра с высоким КПД. К примеру, к новейшим моделям, которые уже сегодня доступны в продаже, можно отнести тонкопленочные солнечные батареи (модули) фирмы Nanosolar [1], а также голографические солнечные панели фирмы Prism Solar Technologies [2], позволяющие улавливать солнечный свет в статическом состоянии при любом положении Солнца, не снижая эффективности. Производители обещают, что уже в ближайшем будущем стоимость их солнечных панелей не будет превышать $1,5 на 1 Вт.

1 По прогнозам Международного энергетического агентства (IEA) энергия солнечного излучения к 2050 г. обеспечит до 25 % потребности человечества в электричестве и сократит выбросы углекислого газа [3]. Промышленно развитые страны непрерывно наращивают внедрение солнечных электростанций, а также производство полупроводниковых преобразователей для них. Следовательно, непрерывно повышаются масштабы и уровень научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проблемам солнечных электростанций.

Солнечные батареи могут вырабатывать лишь постоянный ток, но для питания таких привычных нам приборов, как компьютер, телевизор, чайник и т. п., необходимо переменное сетевое напряжение 220 В или трехфазное 380 В. Для преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальной формы нужны преобразователи. В настоящее время по материалам фирм, выпускающих полупроводниковые преобразователи, стоимость серийных преобразователей для солнечных электростанций составляет примерно 150–300 долл. на 1 кВт.

Гетероструктурная ячейка может быть поставлена в любую страну для сборки модулей. Длина ячейки (156,75 ± 0,25) мм, ширина (156,75 ± 0,25) мм, толщина (0,18 ± 0,02) мм, диагональ (210 ± 0,5) мм, масса (10,2 ± 0,2) г, КПД 22,6–22,8 %, мощность 5,51–5,56 Вт.

Зарубежные производители полупроводниковых преобразователей для солнечных электростанций, как правило, не раскрывают принципиальные схемы этих преобразователей. Особенно затрудняет использование зарубежных аналогов при разработках и проектировании преобразователей для солнечных электростанций то, что неизвестны алгоритмы управления и программы для микропроцессоров, входящих в состав систем управления преобразователями. Приходится самим разрабатывать теоретические основы, методики расчетов отдельных узлов, характеристик и переходных процессов, анализа и синтеза замкнутых систем управления преобразователями. Вместе с тем в зарубежных публикациях дано описание многих схем силовой частей подобных преобразователей.

Основные структуры фотопреобразовательных (ФП) инверторов представлены на рис. 1 [4].

Рис. 1. Обзор структур ФП-инверторов:
централизованная (а);
раздельная (б);
многоцепочечная (в);
с отдельными инверторами для каждого модуля (г)

Ранее использовалась структура (рис. 1а), основанная на централизованных регулируемых инверторах, которые связывают большое число ФП-модулей с сетью переменного тока. ФП-модули разделены на цепочки последовательно соединенных модулей, каждая из которых генерирует достаточно высокое напряжение, чтобы избежать дальнейшего его повышения. Затем эти цепочки для повышения мощности соединяют параллельно через разделительные диоды. Основные недостатки такой структуры: потери мощности из-за рассогласования между модулями; негибкость, которая не позволяет реализовать выгоды массового производства преобразователей; наличие кабелей высокого напряжения между ФП-модулями и инвертором; потери мощности из-за централизованного слежения за точкой максимальной мощности (СТММ); потери в разделительных диодах. Тиристорный инвертор создает большое число токовых гармоник, обуславливающих плохое качество энергии.

Современная структура (рис. 1б) включает в себя регулируемые инверторы для каждой цепочки ФП-модулей. Здесь отсутствуют потери мощности в разделительных диодах и потери из-за рассогласования цепочек, поскольку точка максимальной мощности (ТММ) определяется для каждой из них отдельно. Это повышает общий КПД по сравнению с КПД системы, использующей централизованный инвертор, и снижает стоимость в связи с массовым производством.

В связи с изложенным, в выполненной работе были исследованы и разрабатывались схемы преобразователей, работающих от одного ФП-модуля. (В зарубежных публикациях рассматриваемые преобразователи называются микроинверторами.)

Преобразователи, работающие от одного ФП-модуля, можно разделить на две основные группы:

На базе инвертора с синусоидальной ШИМ (СШИМ).
Высокочастотные с последовательным резонансным инвертором.

В статье рассматриваются преобразователи постоянного напряжения (ППН) с последовательным резонансным инвертором, или так называемые резонансные преобразователи. Они имеют высокий КПД на сравнительно высоких частотах переключений f. Регулирование выходного напряжения таких ППН выполняется тремя методами: фазовым, частотным и комбинированным. Имеется большое количество зарубежных и отечественных публикаций, посвященных таким ППН, однако уровень теоретических исследований пока недостаточен, в связи с чем отсутствуют в достаточной мере обоснованные методики их расчета и проектирования.

Рис. 2. Схема силовой части ППН
(а) и временные диаграммы
(б) для ППН с последовательным резонансным инвертором в РНТ

Исследованная схема резонансного ППН с фазовым регулированием [5] представлена на рис. 2а, а временные диаграммы при работе в режиме непрерывного тока — на рис. 2б. Приведенная схема (рис. 2а) работает на частоте переключений f, превышающей резонансную частоту LC-контура f_р. Процессы в этих схемах исследуются методом припасовывания с использованием векторно-матричного дифференциального уравнения LC-контура для i-го рабочего интервала (i = 1, 2, 3)

где x — вектор состояния, A и B — матрицы, определяемые выражениями

На каждом полупериоде переключений в режиме, показанном на рис. 2б, последовательно наблюдаются три различных рабочих интервала. На первом интервале (i = 1) открыты транзисторы VT1 и VT4, на втором (i = 2) — транзисторы VT1 и VT3, на третьем (i = 3) — транзисторы VT2 и VT3.

Решение уравнения (1) имеет вид

где t_i — момент начала i-го интервала; x(t_i) — начальное значение вектора состояния для i-го интервала; x ti (∞) — асимптотическое значение вектора состояния для i-го интервала.

Были определены явные выражения для элементов фундаментальной (переходной) матрицы e A t [5].

Из уравнения x(T/2) = x(0) были получены соотношения для расчета мгновенных значений напряжения на конденсаторе LC-контура и тока контура в установившемся режиме. Интегрированием тока в LC-контуре за полпериода T/2 были получены выражения для средних значений выходного и входного токов ППН, впервые построены статические регулировочные (рис. 3) и внешние (рис. 4) характеристики, временные диаграммы (рис. 5) [5], где относительные значения переменных определяются как

Рис. 3. Регулировочные характеристики ППН в РПТ и РНТ (отмечены и пронумерованы точки, для которых построены временные диаграммы на рис. 5)

Рис. 4. Внешние характеристики ППН

Рис. 5. Временные диаграммы процессов за полпериода переключений при различных значениях γ для указанных на рис. 3 точек 1 (а); 2, 3 (б); 4–6 (в); 7–9 (г)

Далее исследована схема (рис. 6а), работающая в режиме прерывистого тока в LC-контуре.

При прерывистом токе в LC-контуре схемы на рис. 6 возможны три режима работы: 1) режим с однополярными импульсами тока в LC-контуре на половине периода переключений, который обычно реализуется в схеме без обратных диодов; 2) режим с двуполярными импульсами тока, который реализуется в схеме с обратными диодами при симметричном управлении транзисторами мостовой схемы резонансного инвертора; 3) режим с двухполярными импульсами тока, реализуемый при несимметричном управлении транзисторами и иллюстрируемый на рис. 6б [6].

Рис. 6. Схема силовой части резонансного ППН с преобразователем частоты
на выходе (а);
временные диаграммы, иллюстрирующие установившийся режим прерывистого тока (б);
u_c — напряжение сети переменного тока

На рис. 6а представлена схема резонансного преобразователя, работающая на сеть переменного тока. В полупериод положительного напряжения сети транзистор VT5 поддерживается в открытом состоянии, а при открытых транзисторах VT1 и VT4 ток контура трансформируется в обмотку w₂ трансформатора и замыкается через диод VD1, транзистор VT5 и выходную цепь ППН. Измененив свое направление, ток трансформируется в обмотку w₃ и замыкается через диод VD3, транзистор VT5 и выходную цепь ППН в прежнем направлении.

В полупериод отрицательного напряжения сети транзистор VT6 поддерживается открытым и схема работает аналогично.

Были выведены следующие формулы [6, 7]:

где f_п = 1/T_п — частота переключений; n_тр = w₂/w₁ — коэффициент трансформации трансформатора (w₁, w₂ — число витков первичной и вторичной обмоток); введенный параметр , зависящий от добротности LC-контура, вычисляется по формуле

где Q — добротность резонансного контура, определяемая по формуле Q = (1/r)√L_K/С_K (C_к — емкость конденсатора контура; L = L_K + L_S₁ + L’_S₂ и r + r_K + r₁+ r’₂ — суммарная индуктивность и активное сопротивление последовательного резонансного контура, L_к и r_к — индуктивность и активное сопротивление дросселя резонансного контура; L_S₁ и L’_S₂ — индуктивность рассеяния первичной обмотки и приведенная к первичной обмотке индуктивность рассеяния вторичной обмотки; r₁ и r’₂ — активное сопротивление первичной обмотки и приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмотки).

Для построения характеристик в режиме с однополярными импульсами тока следует воспользоваться известными из работы [8] соотношениями:

Характеристики, построенные по формулам (2)–(8), представлены на рис. 7–10.

Рис. 7. Зависимости для определения средних значений выходного и входного токов в установившемся режиме при Qк = 5 (а) и КПД в установившемся режиме от среднего значения выходного напряжения (б), h°K — КПД в режиме с однополярными импульсами тока

Рис. 8. Внешние характеристики и зависимости —iвх ср.уст от —iвых ср

Рис. 9. Графики для определения потерь мощности D –PK, входной —Pвх и выходной –Pвых мощности

Рис. 10. Зависимости КПД от относительного действующего значения напряжения сети (а) и средней за период сети выходной мощности (б) при работе ППН на сеть переменного тока

Результаты, полученные на Simulink-модели преобразователя

Модель ППН с последовательным резонансным инвертором и системой управления, реализующей алгоритм несимметричного управления силовыми транзисторами, собрана в среде Matlab-Simulink (рис. 11). На рис. 11а указаны параметры всех элементов силовой части.

Рис. 11. Модель силовой части (а) и системы управления (б) преобразователя с несимметричным управлением транзисторами, собранная в среде Simulink

Сигналы управления транзисторами U_з1–U_з4, подаваемые на их затворы, формируются системой управления, которая анализирует переход через нуль тока резонансного контура с помощью одного датчика тока ДТ и двух компараторов на блоках Relational Operator, один из которых формирует логический сигнал по условию i_к > I_оп, а другой — по условию i_к u_вх + u_вых/n_тр, то после закрытия транзисторов VT2 и VT4 в конце отрицательного импульса открываются обратные диоды транзисторов VT2 и VT3, поэтому вместо ожидаемой паузы формируется положительный импульс тока, протекающий через источник входного напряжения в обратном направлении. Затем, после небольшой паузы после окончания указанного импульса, открываются транзисторы VT2 и VT3 и далее аналогично формируются двухполярные импульсы, но с другой полярностью, и во время паузы через обратные диоды протекает незначительный ток. Во время третьего полупериода импульсов тока вообще нет (см. рис. 12), так как в начале полупериода не выполняется условие для формирования положительного импульса тока через транзисторы VT1 и VT4 (u_Ск 0, если общее сопротивление контура носит индуктивный характер (индуктивный режим), когда частота переключений больше резонансной частоты контура f_р, и опережает напряжение на угол φ 05.08.2020 | Солнечная энергетика, Технологии
Оставить комментарий

Разработка силовой электроники по ряду причин является одной из сложнейших областей электроники — цена ошибки тут очень высока, при этом разработка силовых преобразователей всегда привлекала любителей, DIYщиков и не только. Наверняка вам хотелось собрать мощный блок питания для какого-то своего проекта? Или может быть online UPS на пару кВт и не разориться? А может частотник в мастерскую?

Сегодня я расскажу о своем небольшом открытом проекте, а точнее о его части, который позволит шагнуть в мир разработки силовой электроники любому желающему и при этом остаться в живых. В качестве демонстрации возможностей я покажу как за 15 минут собрать инвертор напряжения из 12В DC в 230В AC с синусом на выходе. Заинтриговал? Поехали!

Причины появления проекта

В последние пару лет разработка силовых преобразователей составляет около 90% моих заказов, основные трудозатраты уходят в основном на разработку ПО и макетирование, проектирование схемотехники + финальная трассировка платы от общих затрат составляет обычно не более 10-15%. Тут приходит понимание, что процесс макетирования, в который входит разработка ПО, необходимо как-то сократить и оптимизировать.

Давайте рассмотрим несколько наиболее популярных топологий силовых преобразователей:

Борьба добра со злом

Во-вторых, мне неожиданно написали ребята из компании PCBway, многие наверняка у них платы заказывали, и предложили по сотрудничать. Они очень активно поддерживают открытые железячные проекты, то есть ту самую инициативу CERN — Open Source Hardware. Сотрудничество простое, понятное для обеих сторон — они снабжают меня бесплатно платами для моих проектов, а я их открываю, ну и выкладываю на их сайте, в других местах уже по желанию. Для меня это стало дополнительной мотивацией, а главное совесть моя чиста, т.к. я уже несколько лет заказываю у них платы и на прототипы, и для серийного производства при этом рассказываю о них знакомым и партнерам. Теперь мне за это еще и плюшка в виде бесплатных плат для мелких проектов, можно чаще писать на хабр))

И тут лед тронулся, было решено создать не просто описанный ранее модуль, а целый комплект разработчика силовой электроники и сделать его открытым и доступным каждому.

Структура проекта

В начале статьи я упомянул, что расскажу сегодня лишь про одну часть — это силовой модуль полумоста. Он один уже позволяет создать преобразователь, просто прикрутив управляющую схему, например, отладку STM32-Discovery, Arduino, TMS320, TL494 или чем вы там владеете. Привязка к какой либо платформе или МК нет вообще.

Только это не весь проект, а часть)) Из чего состоит готовый силовой преобразователь? В первую очередь силовая часть, чтобы она заработала нужен некий модуль управления, чтобы понять что происходит нужна индикация, а чтобы понять что происходит с безопасного расстояния еще и интерфейс, например, Modbus RTU или CAN.

В итоге общая структура проекта выглядит так:

Вероятно в будущем еще напишу программку для расчета трансформаторов и дросселей, как обычных, так и планарных. Пока что так. Разные части диаграммы в черновом варианте уже реализована и обкатаны в двух проектах, после небольших доработок по ним так же будут написаны статьи и доступны исходники.

Силовой модуль полумоста

Теперь пришло время подробнее посмотреть на сегодняшнего героя. Модуль универсален и позволяет работать с транзисторами Mosfet и IGBT, как низковольтными, так и высоковольтными ключами до 1200В.

Гальваническая развязка управляющей (цифровой) стороны от силовой. Напряжение пробоя изоляции 3 кВ;
Верхний и нижний ключ независимы, каждый имеет свой гальванически развязанный драйвер и гальванически развязанный dc/dc;
Применен современный драйвер от компании Infineon — 1EDC60I12AHXUMA1. Импульсный ток открытия/закрытия — 6А/10А. Максимальная частота — 1 МГц (проверено до 1.5 МГц стабильно);
Аппаратная защита по току: шунт + ОУ + компаратор + оптрон;
Максимальный ток — 20А. Ограничен не ключами, а размером радиатора и толщиной медных полигонов.

В статье фигурирует 1-я ревизия модуля, она полностью рабочая, но будет 2-я ревизия, в которой устранятся чисто конструктивные недочеты и поменяются разъемы на более удобные. После завершения создания документации, закинул gerber в PCBway и мне через 6 дней в дверь постучался курьер и вручил вот такую прелесть:

Еще через неделю наконец-то привезли ~~на собаках~~ комплектующие из одного прекрасного отечественного магазина. В итоге все было смонтировано:

Тут ничего сложного или магического нет. Обычный полумост: 2 ключа внизу, 2 вверху, можете паять по одному. Драйвер как выше писал из семейства 1ED, очень злой и бессмертный. Везде по питанию есть индикация, включая +12В на выходе dc/dc. Защита реализована на логическом элементе AND, в случае превышения тока компаратор выдаст +3.3В, они засветят оптрон и он притянет один из входов AND к земле, что означает установление лог.0 и ШИМ-сигнал с драйверов пропадет. AND с 3-мя входами использован специально, в следующей ревизии планирую сделать еще и защиту от перегрева радиатором и завести сигнал ошибки туда же. Все исходники будут в конце статьи.

Собираем макет инвертора

Долго думал на чем бы продемонстрировать работу модуля, чтобы и не сильно скучно, и полезно, и не сильно сложно, чтобы повторить мог любой. Поэтому остановился на инверторе напряжения, такие используют для работы с солнечными панелями, если что-то бахнет по низковольтной стороне — не страшно, а по высоковольтной — просто когда включите не суйте туда руки.

Сам инвертор до безобразия простой, кстати, МАП Энергия клепают именно такие, вот вам пример даже коммерческой реализации сей идеи. Работа инвертора заключается в том, чтобы сформировать из постоянного напряжения 12В переменное синусоидальной формы с частотой 50 Гц, ведь именно с таким привык работать обычный трансформатор на 50 Гц. Я использую какой-то советский, вроде ОСМ, 220В обмотка заводская и используется как вторичка, а первичная ~8В намотана медной шиной. Выглядит это так:

Ага, понадобилось всего 3 внешних элемента: трансформатор + LC фильтр. Для последнего дроссель я изготовил просто намотав провод от модуля до трансформатора на кольцо из материала Kool Mu размер R32 с проницаемость 60, индуктивность около 10 мкГн. Конечно же дроссель надо бы рассчитать, но нам же надо за 15 минут)) Вообще если будете гонять что-то подобное на 400 Вт, то нужно кольцо размером R46 (это внешний диаметр). Емкость — 1-10 мкФ пленка, этого достаточно. На самом деле в качестве экономии можно конденсатор не ставить, ибо емкость обмотки трансформатора здоровая… в общем у китайцев и МАПа именно так и сделали)) Дроссель выглядит вот так:

Остается накинуть тестовую нагрузку на выход, у меня это пара светодиодных лампочек на 20 Вт (ничего другого наглядного не оказалось под рукой), сами они кушают 24Вт, КПД однако. Так же ток холостого хода трансформатора около 1А. С АКБ будет кушать около 5А. В итоге имеем такой стенд:

Так же в макете используется АКБ Delta HR12-17 соответственно на 12В и емкостью 17 А*ч. Управлять преобразователем будем с отладочной платы STM32F469-Discovery.

Изначально для управления предполагалось использовать мою STM32VL-Disco, полученную на выставке еще в 2010-м, но так случилось, что именно на этом макете ей суждено было умереть уже когда весь код написан и макет запущен. Забыл про щупы осциллографа и объединил 2 земли, аминь. В итоге все было переписано на STM32F469NIH6, именно эта отладка имелась под рукой, поэтому будет 2 проекта: для F100 и для F469, оба проверены. Проект собран для TrueSTUDIO, версия эклипса от ST.

Вообще в своей другой статье ооочень подробно и наглядно рассказал как формировать синусоидальный сигнал, как писать код и прочее прочее. Прочитать можно — тут.

Прочитали? Хотите собрать? Держите проект:

Где синус спросите вы? Дело в том, что сопротивление входа осциллографа большое и он не представляет из себя нагрузку, поэтому ток не протекает и синусу взяться не откуда. Добавим нагрузку, я смастерил из резисторов 10 Ом нагрузку 90 Ом просто включив последовательно 9 штук. Цепляем нагрузку к выходам полумостов и видим такую картину:

У вас так же? Значит пришла пора подключать дроссель, трансформатор, нагрузку и пробовать запускать. Achtung! Нельзя включать данный макет без нагрузки, ибо на холостом ходе на выходе может быть до 350. 380В. Чтобы такого не было нужна нагрузка или ОС. Последней у нас не будет, это тема отдельной статьи, можете в качестве факультатива прикрутить П-регулятор простейший, шаблон проекта у вас уже есть.

Включение

После включения получаем на выходе около 230В, выход конечно не стабилизированный и будет плавать 230В +-30В, для тестов пойдет, в другой статье доработаем макет как решусь рассказать про П и ПИ-регуляторы и их реализацию.

Теперь можно насладиться результатом работы, а при необходимости упихать все в коробку и даже применить в хозяйстве или на даче для обеспечения себя светом и прочими прелестями.

Пока не забыл, исходники проекта:

Принципиальна схема — PDF
BOM — Excel
Gerber-files — RAR

Осталось посмотреть как там с температурами на плате, нет ли каких-то особо горячих мест. 5-6А это конечно мало, но если сквозной ток идет или еще какая серьезная ошибка, то этого хватит, чтобы превратить плату в чайник:

Как видите самым горячим элементом является dc/dc модуль для гальванической развязки, это который на 2 Вт, он нагревается аж до 34 градусов, ну еще и шунт. Сами же транзисторы и радиатор имеют температуру окружающей среды после 30 минут работы преобразователя))

Благодарности и планы

Надеюсь статья и сама идея вам понравились. В дальнейшем на этих же модулях покажу как собрать частотник, mppt контроллер, а может и еще чего интересного. Если у вас есть вопросы, то не стесняйтесь их задавать в комментариях или в личку, если у вас вдруг нет полноценного аккаунта, постараюсь ответить на все вопросы.

Теперь немного благодарностей компании PCBway, на самом деле очень хорошо, что они поддерживают open source движуху. Может скоро железячники даже догонять софтописателей по количеству и качеству открытых проектов.

Инвертор 12V/220V вещь на хозяйстве нужная. Иногда просто необходимая: сеть, допустим, пропала, а телефон разряжен и в холодильнике мясо. Спрос определяет предложение: за готовые модели на 1кВт и более, от которых можно запитывать любые электроприборы, придется выложить где-то от $150. Возможно, более $300. Однако сделать преобразователь напряжения своими руками в наше время дело доступное каждому, кто умеет паять: собрать его из готового набора компонент обойдется втрое-вчетверо дешевле + немного работы и металла из подручного хлама. Если есть зарядное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей (АКБ), можно уложиться вообще в 300-500 руб. А если имеются еще и начальные радиолюбительские навыки, то, порывшись в загашниках, вполне возможно сделать инвертор 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт вовсе даром. Рассмотрим возможные варианты.

Варианты: глобально

Преобразователь напряжения 12-220 В для питания нагрузки до 1000 Вт и более в целом можно сделать самостоятельно такими способами (в порядке повышения затрат):

Из готового модуля

Готовые модули инверторов напряжения 12/220 В

Напр., в наборе (модуле) 2 ключа (их видно, они торчат из платы, см. слева на рис.); модули с ключами на радиаторе (справа на рис.) стоят дороже и рассчитаны на определенную, как правило, не очень большую мощность. Кулера нет, мощность нужна 1,5 кВт. Значит, нужен радиатор от 150 кв. см. Кроме него еще установочные комплекты для ключей: изолирующие теплопроводящие прокладки и фурнитура под крепежные винты – изолирующие чашечки и шайбы. Если модуль с теплозащитой (между ключами будет торчать еще какая-то фитюлька – термодатчик), то немного термопасты для приклеивания его к радиатору. Провода – само собой, см. далее.

Из ИБП (UPS)

Батарея и мощность

Автолюбители знают: гонял стартер 20 мин – покупай новый аккумулятор. Правда, в новых машинах есть ограничители времени его работы, так что, возможно, и не знают. И точно не все знают, что стартер легковушки, раскрутившись, берет ток ок. 75 А (в течение 0,1-0,2 с при запуске – до 600 А). Простейший расчет – и выходит, что, если в инверторе нет автоматики, ограничивающей разряд батареи, то наша за 15 мин сядет полностью. Так что выбирайте или конструируйте свой преобразователь с учетом возможностей наличной АКБ.

Примечание: из этого следует огромное преимущество преобразователей 12/220 в на основе компьютерных ИБП – их контроллер не даст полностью посадить батарею.

Ресурс кислотных АКБ заметно не уменьшается, если они разряжаются 2-х часовым током (12 А для 60 А/ч, 24 А для 120 А/ч и 42 А для 210 А/ч). С учетом КПД преобразования это дает допустимую долговременную мощность нагрузки в прим. 120 Вт, 230 Вт и 400 Вт соотв. Для 10 мин. нагрузки (напр., для запитки электроинструмента) она может быть увеличена в 2,5 раза, но после этого АБК должна отдохнуть не менее 20 мин.

В целом итог получается не совсем уж плохой. Из обычного бытового электроинструмента только болгарка может брать 1000-1300 Вт. Остальные, как правило, обходятся мощностью до 400 Вт, а шуруповерты до 250 Вт. Холодильник от АКБ 12 В 60 А/ч через инвертор проработает 1,5-5 час; вполне достаточно, чтобы принять необходимые меры. Поэтому делать преобразователь на 1кВт для батареи 60 А/ч смысл имеет.

Что будет на выходе?

Преобразователи напряжения ради уменьшения массогабаритов устройства за редкими исключениями (см. далее) работают на повышенных частотах от сотен Гц до единиц и десятков кГц. Ток такой частоты не примет никакой потребитель, а потери его энергии в обычной проводке будут огромны. Поэтому инверторы 12-200 строятся под выходное напряжение след. видов:

Постоянное выпрямленное 220 В (220V AC). Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства источников питания (ИП) планшетов, ламп накаливания, люминесцентных экономок и светодиодных. На мощность от 150-250 Вт отлично подойдут для ручного электроинструмента: потребляемая им мощность на постоянном токе немного снижается, а крутящий момент возрастает. Непригодны для импульсных блоков питания (ИБП) телевизоров, компьютеров, ноутбуков, микроволновок и т.п. мощностью более 40-50 Вт: в таких обязательно есть т. наз. пусковой узел, для нормальной работы которого сетевое напряжение должно периодически проходить через ноль. Непригодны и опасны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока: стационарного электроинструмента, холодильников, кондиционеров, большей части Hi-Fi аудио, кухонных комбайнов, некоторых пылесосов, кофеварок, кофемолок и микроволновок (для последних – из-за наличия мотора вращения стола).
Модифицированное синусоидальное (см. далее) – пригодны для любых потребителей, кроме Hi-Fi аудио с ИБП, прочих устройств с ИБП от 40-50 Вт (см. выше) и, часто локальных охранных систем, домашних метеостанций и т.п. с чувствительными аналоговыми датчиками.
Чистое синусоидальное – пригодны без ограничений, кроме как по мощности, для любых потребителей электроэнергии.

Синус или псевдосинус?

С целью повышения экономичности преобразование напряжения осуществляется не только на повышенных частотах, но и разнополярными импульсами. Однако запитывать очень многие приборы-потребители последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов (т. наз. меандром) нельзя: большие выбросы на фронтах меандра при хоть чуть-чуть реактивной нагрузке приведут к большим потерям энергии и могут вызвать неисправность потребителя. Однако проектировать преобразователь на синусодальный ток тоже нельзя – КПД не превысит прим. 0,6.

Преобразование постоянного напряжения в модифицированную и чистую синусоиду

Однако приборы с капризными аналоговыми узлами и ИБП запускать от модифицированной синусоиды нежелательно. Последние – крайне нежелательно. Дело в том, что средняя площадка модифицированной синусоиды не чистый ноль напряжения. Узел запуска ИБП от модифицированной синусоиды срабатывает нечетко и весь ИБП может не выйти из режима запуска в рабочий. Пользователь это видит сначала как безобразные глюки, а потом из девайса идет дым, как в анекдоте. Поэтому приборы в ИБП нужно запитывать от инверторов типа Чистый Синус.

Делаем инвертор сами

Приборы для контроля частоты сети электропитания

Стоят тот и другой недорого, продаются в интернете, а в больших городах в электротехнических спецмагазинах. Старый резонансный частотомер можно найти на на железном базаре, а тот или другой после наладки инвертора очень даже подойдут для контроля частоты сети в доме – счетчик на подключение их к сети не реагирует.

50 Гц от компьютера

Видео: простой преобразователь 12-220 из компьютерного БП

Ключи

Допустим, компьютерного ИБП нет или нужна мощность побольше. Тогда важное значение приобретает выбор ключевых элементов: они должны коммутировать большие токи с наименьшими потерями на переключение, быть надежными и доступными по цене. В этом отношении биполярные транзисторы и тиристоры в данной сфере применения уверенно уходят в прошлое.

Лучшие из мощных полевиков для преобразователей напряжения – с изолированным затвором и индуцированным каналом (MOSFET), напр. IFR3205, слева на рис.:

Мощные транзисторы для преобразователей напряжения

Благодаря ничтожной мощности переключения КПД инвертора с выходом DC на таких транзисторах может достигать 0,95, а с выходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET со встроенным каналом, напр. IFRZ44, дают КПД пониже, но стоят гораздо дешевле. Пара тех или других позволяет довести мощность в нагрузке до прим. 600 Вт; те и другие без проблем запараллеливаются (справа на рис.), что позволяет строить инверторы на мощность до 3 кВт.

Примечание: мощность потерь переключения ключей со встроенным каналом при работе на существенно реактивную нагрузку (напр., асинхронный электродвигатель) может достигать 1,5 Вт на ключ. Ключи с индуцированным каналом от этого недостатка свободны.

TL494

Третий элемент, который позволил довести преобразователи напряжения до теперешнего состояния – специализированная микросхема TL494 и ее аналоги. Все они представляют собой контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирующий на выходах сигнал модифицированной синусоиды. Выходы разнополярные, что позволяет управлять парами ключей. Опорная частота преобразования задается одной RC цепью, параметры которой можно менять в широких пределах.

Когда хватит постоянки

Круг потребителей тока 220 В DC ограничен, но как раз у них потребность в автономном электропитании возникает не только в аварийных ситуациях. Напр., при работе электроинструментом на выезде либо в дальнем углу своего же участка. Или присутствует всегда, скажем, у дежурного освещения входа в дом, прихожей, коридора, придомовой территории от солнечной батареи, днем подзаряжающей АКБ. Третий типичный случай – зарядка телефона на ходу от прикуривателя. Здесь мощность на выходе нужна совсем маленькая, так что инвертор может быть выполнен всего на 1 транзисторе по схеме релаксационного генератора, см. след. ролик.

Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе

Пример схемы с внешними времязадающими элементами дан на поз. 1 рис.:

Схемы простых преобразователей напряжения 12-200 В

Ошибочно выбранный магнитопровод трансформатора маломощного преобразователя напряжения

Порядок расчета данного инвертора дан в скане на рис.:

Ключевые величины в нем – частота преобразования и рабочая индукция в магнитопроводе. Частоту преобразования выбирают исходя из материала наличного сердечника и требуемой мощности:

Примечание: если в наличии есть стальной магнитопровод заведомо завышенного сечения, не выжимайте из него мощность! Пусть лучше индукция будет меньше – КПД преобразователя возрастет, а форма выходного напряжения улучшится.

Выпрямление

50 гц? Это очень просто!

Простой инвертор на 50 Гц (поз. 4 рис. выше со схемами) интересная конструкция. У некоторых видов типовых трансформаторов питания собственная постоянная времени близка к 10 мс, т.е. половине периода 50 Гц. Подкорректировав ее времязадающими резисторами, которые будут одновременно и ограничителями тока управления ключей, можно получить на выходе сразу сглаженный меандр 50 Гц без сложных схем формирования. Подойдут трансформаторы ТП, ТПП, ТН на 50-120 Вт, но не всякие. Возможно, придется изменить номиналы резисторов и/или включить параллельно им конденсаторы на 1-22 нФ. Если частота преобразования все равно далеко от 50 Гц, разбирать и перематывать трансформатор бесполезно: склеенный ферромагнитным клеем магнитопровод распушится, и параметры трансформатора резко ухудшатся.

Этот инвертор – дачный преобразователь выходного дня. Аккумулятор машины он не посадит по тем же причинам, что и предыдущий. Но его хватит на освещение домика с верандой светодиодными лампами и телевизор или вибрационный насос в скважине. Частота преобразования налаженного инвертора при изменениях тока нагрузки от 0 до максимального не выходит за пределы технормы для сетей электропитания.

DC от микросхемы

КПД описанных преобразователей не превышает 0,8, а частота в зависимости от тока нагрузки заметно плавает. Предельная мощность нагрузки менее 400 Вт, так что пришла пора вспомнить о современных схемных решениях.

Схема простого преобразователя 12 В DC/ 220 В DC на 500-600 Вт дана на рис.:

Схема преобразователя 12-220 В DC 1000 Вт

Основное его назначение – питание ручного электроинструмента. К качеству подводимого напряжения такая нагрузка не требовательна, поэтому ключи взяты подешевле; подойдут также IFRZ46, 48. Трансформатор мотается на феррите сечением 2-2,5 кв. см; подойдет сердечник силового трансформатора от компьютерного ИБП. Первичная обмотка – 2х5 витков жгута из 5-6 обмоточных проводов диаметром по меди 0,7-0,8 мм (см. ниже); вторичная – 80 витков такого же провода. Налаживание не требуется, но контроля разряда батареи нет, так что в процессе работы нужно прицепить к ее клеммам мультиметр и не забывать на него поглядывать (то же касается и всех прочих самодельных инверторов напряжения). Если напряжение упало до 10,8 В (1,8 В на банку) – стоп, выключаемся! Упало до1,75 В на банку (10,5 В вся батарея) – это уже пошла сульфатация!

Как мотать трансформатор на кольце

Изолируют магнитопровод и с помощью намоточного челнока наматывают на него вторичную повышающую обмотку, укладывая витки как можно плотнее, поз. 1 на рис.:

Намотка трансформатора преобрзователя напряжения на ферритовом кольце

Примечание: на электрических принципиальных схемах начала обмоток, если это имеет значение, обозначаются точкой.

50 Гц сглаженные

Первоначально определенная величина рабочей индукции делится на 1,1 и применяется во всех дальнейших расчетах. Так нужно, чтобы учесть т. наз. коэффициент формы несинусоидального напряжения Кф; у синусоиды Кф=1.
Повышающая обмотка рассчитывается сначала как сетевая на 220 В для заданной мощности (или определенной по параметрам магнитопровода и величине рабочей индукции). Затем найденное количество ее витков умножается на 1,08 для мощности до 150 Вт, на 1,05 для мощностей 150-400 Вт и на 1,02 для мощностей 400-1300 Вт.
Половина низковольтной обмотки рассчитывается как вторичная на напряжение 14,5 В под ключи биполярные или со встроенным каналом и на 13,2 В для ключей с индуцированным каналом.

Примеры схемных решений преобразователей 12-200 В 50 Гц с разделительным трансформатором даны на рис.:

Схемы преобразователей напряжения 12-220 В 50 Гц на 500-1000 Вт

Инвертор 12-220 В 50 Гц с задающим генератором на TL494 (справа на рис.) частоту держит железно во всех мыслимых немыслимых условиях эксплуатации. Для более эффективного сглаживания псевдосинусоиды используется явление т. наз. безразличного резонанса, при котором фазовые соотношения токов и напряжений в колебательном контуре становятся такими же, как при остром резонансе, но их амплитуды заметно не увеличиваются. Технически это решается просто: к повышающей обмотке подключают сглаживающий конденсатор, значение емкости которого подбирают по наилучшей форме тока (не напряжения!) под нагрузкой. Для контроля формы тока в цепь нагрузки на мощность 0,03-0,1 от номинальной включают резистор на 0,1-0,5 Ом, к которому и подключают осциллограф с закрытым входом. Сглаживающая емкость не уменьшает КПД инвертора, но пользоваться для настройки компьютерными программами симуляции НЧ осциллографа нельзя, т.к. вход звуковой карты, которая в них используется, не рассчитан на амплитуду в 220х1,4 = 310 В! Ключи и мощности такие же, как в пред. случае.

Более совершенная схема преобразователя 12-200 В 50 Гц дана на рис.:

Схема усовершенствованногопреобразователя 12-200 В 50 Гц

А нельзя ли без трансформатора?

Да, и такое решение нередко применяется в фирменных преобразователях. Это – электрический мост из ключей на высоковольтных силовых полевых транзисторах с напряжением пробоя от 400 В и током стока более 5 А. Подойдут из первичных цепей компьютерных ИБП, а из старого хлама – КП904 и т.п.

Мост запитывается постоянкой 220 В DC от несложного инвертора 12-220 с выпрямлением. Плечи моста открываются парами наперекрест поочередно, и ток в нагрузке, включенной в диагональ моста, меняет направление; цепи управления всех ключей гальванически разделены. В промышленных конструкциях ключи управляются от спец. ИМС с развязкой оптопарами, но в любительских условиях то и другое можно заменить дополнительным маломощным инвертором 12 В DC – 12 В 50 Гц, работающим на маленький трансформатор на железе, см. рис. Магнитопровод для него можно взять от китайского базарного маломощного трансформатора питания. За счет его электрической инерции качество выходного напряжения получается даже лучше, чем модифицированная синусоида.

Схема получения 220 В 50 Гц от преобразователя напряжения без мощного трансформатора на железе

Читайте также: