为家用设备供电的转换器。方案、说明

为家用设备供电的转换器

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为了引起读者的注意，我们提供了在照明网络中没有电压的情况下为家用设备供电的备用转换器的描述。其显着特点是存在两个转换级：高频和低频，这使得可以显着减小设备的尺寸和重量。

如今，人们对开发和制造用于通过电池为各种家用设备供电的强大转换器的兴趣日益浓厚。这主要是由于两个因素造成的。一是各种限电、断电，近期在全国多地已蔚然成风。其次，现代在工业生产领域取得的成就为专用电子元件转换器技术。首先，这些包括功能强大的高速场效应晶体管（其固有的易于控制和低通态损耗），以及各种集成 PWM 控制器（实际上是单芯片转换器控制）单位。同样重要的是，最近普通无线电爱好者可以使用这样的元件库，无论是在术语还是成本方面。因此，可以开发包含少量零件且同时具有高能量和操作特性的转换装置。

此类转换器的描述已在“Radio”页面 [1, 2] 和相关技术文献 [3, 4] 中多次发表。这些器件的一个显着特点是它们都以较低的转换频率（通常为 50 Hz）运行。这是因为需要确保转换器的输出参数与家庭电网的频率特性相对应，因为有一大类电器需要交流电源电压。例如，这些包括所有包含网络变压器或各种类型交流电机的用电设备。

同时，低转换频率的选择造成了一定的设计和操作困难：强大的输出变压器的制造，主要决定了整个器件的重量和尺寸参数，以及转换器在使用过程中的特性“嗡嗡声”。它的运作。

另外，所描述的转换器通常不配备输出电压稳定单元，这取决于与其连接的负载的功率或供电电池的放电程度。因此，输出交流电压的幅度可能在相当宽的范围内（高达 30 ... 40%）变化，这并不总是对消费者产生有利的影响。

所有上述内容都预先确定了所提出的转换器的设计，该转换器的开发考虑了现有设备固有的缺点。从功能上讲，该转换器由两个主要部分组成：带有输出整流器的强大高频升压逆变器和低频逆变器开关。

主要技术特点

最大输出功率，W.....200
蓄电池输入电源电压，V ..... 12
整个功率范围内矩形输出交流电压的有效值，V ..... 220 ±3
输出电压频率，Hz.....50
转换器效率，%..... 78
尺寸，毫米.....200x120x120
重量（不含电池），kg.....3,5

该装置的方案如图1所示。 1、高频逆变器是按照晶体管VT4-VT1和变压器T2上的推挽式正激变换器的方案制作的。该解决方案的优点包括纹波水平低、在电流方面更好地利用开关晶体管以及比组装在桥式电路中的转换器更高的效率。阻尼元件VD3、VD1、R3、CXNUMX用于减小开关时电压浪涌的幅度，有利于晶体管的工作。

（点击放大）

逆变器输出端的过载或短路保护基于初级电源电路中的电流继电器 K1。它是基于带有一组闭合触点的簧片开关制成的，置于线圈中心，由来自电池正极端子的电源线缠绕一圈或两圈。同时，这种继电器的内阻非常小，对转换器在正常模式下的运行几乎没有影响。当发生过载时，干簧管的触点闭合，向高频逆变器A1的控制单元发出相应的保护操作信号。电流保护的速度为 1...2 ms。

输出电压整流采用二极管VD4-VD7上的桥式电路，也可以减少纹波，提高脉冲变压器T1的利用率。整流后的电压被供给至平滑滤波器L1C5～C7。 RF逆变器控制单元A1操作所需的电压反馈信号从电阻分压器R3-R5去除。

稳定的直流电压提供给根据晶体管VT5-VT8上的全桥电路制成的低频逆变开关。由开关产生的电源频率的矩形交流电压被提供给转换器的负载。开关的工作模式决定了LF逆变器A2的控制单元。晶体管 VT5-VT8 由相同的驱动器 A4-A7 控制，与转换器的其余部分电隔离。

RF逆变器的“心脏”是KR1156EU2[5] PWM控制器微电路（国外模拟-来自Unitrode的UC3825[6]），它是专门为控制高开关频率的推挽式开关电源而设计的，工作电压或当前反馈。

高频逆变器A1的控制单元方案如图2所示。 XNUMX.

为家用设备供电的转换器

控制器内部主振荡器的频率由外部元件（电阻器 R9 和电容器 C9）的额定值决定，在指示值下，频率约为 50 kHz。在电容器 C9 上形成的操作所需的锯齿信号被馈送到微电路的 RAMP 输入。

来自 +5V 参考源的电压施加到微电路内部误差信号放大器 (USO) 的直接输入 IN。低频区的USO增益取决于电阻R4、R7的阻值，等于3。电容C5的目的是校正放大器在高频区的频率响应，以增加放大器的稳定性。整个脉冲宽度控制系统。

输出控制脉冲宽度的变化是由于作用于 RAMP 输入的锯齿波电压控制器的内部比较器与 USO 的输出电压进行比较而发生的。

从输出OUTA和OUTB产生的重复率为25kHz的控制脉冲分别馈送到晶体管VT1、VT2和VT3、VT4。

电容器C10决定控制器软启动节点的操作。电源打开时，电容器开始以 9 μA 的电流从电源充电，同时 SS 引脚上的电压随着充电而增加，确保控制器工作周期的持续时间平稳增加。

从主电路可以看出（见图1），当变换器过载时，电流继电器K1被激活，闭合干簧管K1.1的触点。这会打开三极管 VS1，导致 HL1“保护”LED 亮起，并在电阻器 R2 上出现约 8V 的压降。该电压施加到 SD 控制器的输入，从而将其置于阻塞模式。 DA1芯片的输出OUTA、OUTB切换为高阻状态，开关晶体管VT1-VT4截止。为了在消除过载后使设备返回到工作状态，需要关闭转换器的电源一段时间。

参数稳定器 R12VD8 将控制器电源电压限制为 12 V。

驱动电源单元A2是一个低功率脉冲转换器，根据图3的方案制作。 XNUMX.

为家用设备供电的转换器

在逻辑元件DD1.1、DD1.2上，组装有主振荡器，其产生重复率约为100kHz的脉冲。接下来是 4 分频器，由 DD2 芯片的触发器组成。

来自触发器DD2.1、DD2.2的反相输出和触发器DD2.2的直接输出的脉冲被馈送到逻辑元件DD1.3和DD1.4。从这些元件的输出中，产生的重复率约为 25kHz 的控制脉冲被馈送到晶体管 VT9 和 VT10，从而切换变压器 T2 的初级绕组的电流。

低频逆变器A3的控制单元框图如图4所示。四。

为家用设备供电的转换器

在按照标准方案包括的积分定时器DA2上，装配有主振荡器。所生成脉冲的重复频率由元件C17、R23、R24确定。对于指定的额定值，频率为 100 Hz。来自发生器的信号被馈送到 2 分频器，并在 DD3.1 触发器上收集，该触发器充当双相信号整形器。此外，频率为 50 Hz 的脉冲从整形器馈送到逻辑元件 DD4.1、DD4.2，从逻辑元件 DD11、DD12 的输出，通过晶体管 VT4、VT7，将脉冲馈送到驱动器光耦合器的相应 LED （AXNUMX-AXNUMX）。

DD3.2 触发器上组装的单个振动器旨在获得控制脉冲之间的暂停。这种暂停的存在对于防止晶体管桥VT5-VT8的臂中出现直通电流是必要的。形成的暂停的持续时间由元素 C19、R25、R26 的值决定，对于图中所示的那些，其约为 1 ms。

用于控制低频逆变器开关晶体管VT4-VT7的驱动器A5-A8是根据图5中相同的电路制作的。 XNUMX.

为家用设备供电的转换器

控制信号通过二极管光耦合器 U1 馈送到驱动器，该二极管光耦合器提供与 LF 逆变器控制单元的电流隔离。进一步地，信号经过晶体管VT13上的放大后，进入互补输出级VT14VT15，直接加载在开关晶体管VT5的栅极电路上。驱动器由低功率脉冲转换器A2通过隔离变压器T3和带有平滑滤波器C15的二极管电桥VD21供电。 R34VD14电路将场效应晶体管的最大栅极电压限制为15V。

在作者的版本中，转换器被组装在尺寸合适的金属外壳中 - 200x120x120 mm。装置外观如图所示。 6.

为家用设备供电的转换器

除功率元件外，转换器的所有功能单元均组装在单独的印刷电路板上。应特别注意 PWM 控制器 PCB 布局的拓扑结构，尽量不要让输入和输出电路的导体相对位置靠得很近，如果可能的话，尽量缩短它们的长度。我建议该组件的印刷电路板由双面箔玻璃纤维制成，将一侧的箔用作普通电线。

高频逆变器的发热元件VT1～VT4以及变压器T1、电容器C1、C2和阻尼元件VD2、VD3、R1、C3安装在由实心材料制成的壳体后壁上。硬铝板尺寸为 120x120 毫米，厚度为 8 毫米。使用横截面为 10 mm2 的铜线（轮胎）进行安装。外侧后壁设有垂直排列的筋条，这样得到的散热器工作面的有效面积约为600cm2。设备后壁上的剩余空间预留用于连接电池和保险丝FU1 的端子。晶体管VT5-VT8均配有小型散热片，每个散热片面积约50mm==2。

代替图中所示的 IRFZ34N (VT1-VT4) 晶体管，IRFZ44、BUZ11、KP723A 或任何其他具有感应 n 沟道的 MOSFET，最大漏极电流至少为 35 A，最大漏源电压至少为55 V，开路电阻不超过 0,04 欧姆。允许使用IRF820、BUZ5、KP8B830或其他合适的结构代替晶体管IRF90（VT707-VT1），最大漏极电流至少为2A，最大漏源电压至少为400V。晶体管KT972A（ VT9-VT12) 可替换为 KT829A 或具有任意字母索引的复合 KT315 + KT815。您可以使用相应结构的任何低功耗双极晶体管来代替其余晶体管。

二极管KD226G（VD4-VD7）可以用KD226D代替。

氧化物电容器 C1、C2、C5、C6 - K50-24、K50-27，能够在电流纹波较大的电路中工作。器件中使用的其余氧化物电容器为 K50-6、K50-16、K53-14A，非极性 - 任何陶瓷，例如 KM-5、KM-6、K10-17。

开关 Q1 - 任意，额定电流至少为 20 A。电流继电器 K1 在 KEM-1 簧片开关或类似开关的基础上制成，具有一对常闭触点，具有最短的响应时间。簧片开关放置在直径合适的非磁性材料制成的薄壁圆柱管中。包含一匝或两匝的继电器绕组缠绕在管上。精确的圈数是在调整过程中选择的。

电感L1是在M28NM铁氧体制成的B2000磁路的基础上制成的。将绕组缠绕在线圈架上，直至充满PEV-2 0,9线。组装时，磁路各部件之间放置0,1毫米厚的非磁性材料制成的垫片。这种扼流圈的电感约为1 mH。

变压器T1缠绕在两个折叠在一起的M65NM铁氧体K40x6x4000环形磁芯上。绕组 I 包含 2x6 匝 60 PEV-2 0,35 导线，绕组 II - 220 匝 PEV-2 0,9 导线。绕线前，应将磁芯的锋利边缘修圆。绕组 II 首先逐圈缠绕。然后铺设绕组间绝缘，其上放置绕组I，为了减少漏感，将其绕成两根线（每束60根导线两束）并均匀分布在磁路上。对于初级绕组，您可以使用由合适截面 (5 ... 7 mm2) 的同轴电缆的铜屏蔽编织层形成的线束。为了提供匝间绝缘，将线束放置在合适直径的绝缘材料（例如 PVC）管中。初级绕组的中点是通过将一个半绕组的起点连接到另一个半绕组的终点来获得的。

T2 变压器采用 M28NM 铁氧体制成的 K16x9x2000 环制成。绕组包含：初级 - 2x20，次级 - 20 匝电线 PEV-2 0,4。首先，与 T1 变压器一样，它们缠绕次级绕组，并在其顶部（用两根电线）缠绕初级绕组。

通过将一个半绕组的开头连接到另一个半绕组的末端，就可以得到一个中点。

每个 TK 驱动器电源变压器（必须制作四个）都缠绕在由 M20NM 铁氧体制成的 K12x6x2000 环上。绕组包含：初级 - 30 匝，次级 - 40 匝电线 PEV-2 0,28。首先绕制次级绕组。

要建立转换器，您需要一个输出电流为 10 ... 15 A 的 5 ... 10 V 直流电源。为此，您可以使用汽车电池充电器，最好配备输出电流过载保护。转换器的高频和低频部分分别调节。

设备高频部分组装完毕后，应确保安装正确且质量良好。然后按图示将发动机的可变电阻R4设置到上方位置。通过阻值10欧姆、功率5W的限流电阻给器件供电。此时空载电流不应超过300mA，VD4-VD7整流器输出端的电压应在190…200A左右的电流下工作。电流继电器连接到设备并调整高频部分，由电池供电。逐渐将连接到 VD4-VD0,5 整流器的负载功率增加至 25 W，它们控制转换器的消耗电流、输出电压和热模式。长期运行时，散热器温度不应超过4℃。至此，该装置的高频部分的建立就可以认为完成了。

驱动器的供电单元和驱动器本身在无差错安装过程中无需调整。建立低频逆变器的控制单元包括使用调谐电阻器 R100 设置时钟发生器的频率（23 Hz）以及使用调谐电阻器 R1 设置输出脉冲之间的暂停持续时间（约 26 ms）。组装好转换器的整个低频部分后，将 10 ... 15 V 的恒定电压施加到其输入（考虑极性），同时使用示波器控制电阻器 R6 两端的输出交流电压。观察到的输出信号应该是方波，对称，占空比为 2，没有可见的失真。如有必要，可使用调谐电阻 R26 对曲折半周期之间的暂停持续时间进行额外调整。这样就完成了转换器低频部分的调整。

进一步将高频部分和低频部分相互连接，在整个功率范围内对变换器的性能进行整体监控，必要时用可变电阻R220调节输出交流电压4V。输出电压应用指针装置测量，显示有效（有效）值！

总之，我想指出的是，所提出的设备可以轻松适应所需的输出特性。通过选择电阻分压器R3-R5的分压系数，可以设置不同的输出电压（例如127V），通过改变元件C17、R24的值，可以得到其他电压输出频率值（例如 400 Hz）。

文学

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作者：I.Poley，南萨哈林斯克

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