Зарядное устройство на полевом инверторе. Принципиальная схема сварочного инвертора: разбираемся в деталях Зарядное устройство на полевом инверторе
Разработка импульсных питающих устройств на основе инверторов позволяет создавать недорогие зарядные устройства с небольшим весом и габаритами. Двухтактные импульсные преобразователи критичны к несимметричному намагничиванию магнитопровода и возникновению сквозных токов. В полумостовом же инверторе с насыщающимся трансформатором отсутствует постоянная составляющая тока первичной обмотки, а напряжение на закрытых транзисторах не превышает напряжения сети.
В схеме инвертора происходит тройное преобразование:
- выпрямление напряжения сети, т.е. получение постоянного высокого напряжения;
- преобразование постоянного высокого напряжения в импульсное
- высокочастотное и его трансформация в низковольтное;
- преобразование высокочастотного напряжения в постоянное низковольтное, т.е. его выпрямление и стабилизация.
Предлагаемое устройство (рис.1) предназначено для зарядки автомобильных и других мощных аккумуляторов.
Генератор прямоугольных импульсов выполнен на аналоговом интегральном таймере DA1 серии 555 Внутренняя структура таймера содержит два компаратора, входы которых соединены с выводами 2 и 6, RS-триггер с входом (выводом 4) сброса в нулевое состояние, выходной усилитель для повышения нагрузочной способности, ключевой транзистор с коллектором, подключенным к выводу 7, вход управления (вывод 5 от делителя напряжения питания).
Для работы микросхемы в режиме автогенератора входы 2 и 6 внутренних компараторов DA1 соединены вместе. Заряд внешнего конденсатора С1 продолжается при повышении напряжения на нем до уровня 2/3 Uпит, а высокий уровень на выходе 3 DA1 при этом сменяется низким.
При падении напряжения на конденсаторе С1 до уровня 1/3 Uпит за счет разряда через внутренний транзистор микросхемы на выходе 3 DA1 вновь устанавливается высокий уровень.
Процессы заряда и разряда времязадающего конденсатора С1 происходят циклически. Заряд С1 происходит через диод VD1, R2 и включенную (левую по схеме) часть переменного резистора R1, разряд - через VD2, R2, R4 и правую часть R1. Такая схема позволяет с помощью R1 регулировать скважность импульсов (отношение длительности к периоду). Частота генератора при этом остается постоянной, а изменяется ширина (длительность) импульсов. За счет этого устанавливается нужное выходное напряжение на клеммах. ХТ1, ХТ2. Светодиодный индикатор HL1 позволяет визуально контролировать наличие высокого уровня на выходе 3 DA1.
Импульс положительной полярности с выхода 3 DA1 через ограничительный резистор R4 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. В результате, транзисторы VT2 и VT3 переключаются в противоположные состояния проводимости (VT2закрывается, а VT3 открывается). По окончании импульса и смене высокого уровня на выводе 3 DA1 на нулевой VT1закрывается, соответственно, закрывается VT3 и открывается VT2.
В точке соединения эмиттера VT2 и коллектора VT3 (на первичной обмотке импульсного трансформатора Т1) формируется прямоугольный импульс.
Резисторы R11, R12 и форсирующие конденсаторы С4, С5 в базовых цепях транзисторов VT2, VT3 снижают сквозной ток и выводят транзисторы из насыщения в момент переключения, уменьшая потери в цепях управления и нагрев транзисторов. Для открывания транзистора VT1 с некоторой задержкой и быстрого закрывания, что положительно сказывается на переключении выходных транзисторов, разрядный транзистор таймера (вывод 7) DA1 подключен к базе VT1.
Демпфирующие диоды VD5, VD6, включенные параллельно транзисторам VT2, VT3, защищают их от импульсов обратного напряжения. В некоторых транзисторах они уже установлены в корпусе, но в паспортных данных это не всегда отражено. Во время закрытого состояния ключей энергия, накопленная в трансформаторе Т1, передается в нагрузку и через демпферные диоды частично возвращается в источник питания.
Разделительный конденсатор С8 устраняет протекание через первичную обмотку трансформатора Т1 постоянной составляющей тока при разных характеристиках транзисторов VT2, VT3 и конденсаторов фильтра С9, С10. Демпферная цепочка С7-R16 устраняет выбросы обратного напряжения, возникающие в момент переключения тока в обмотках Т1. Дроссель L1 уменьшает динамические потери в коммутирующих транзисторах, сужая спектр генерируемых колебаний. Конденсаторы фильтра С9, С10 с выравнивающими резисторами R18, R19 создают искусственную среднюю точку для трансформатора инвертора.
Питание генератора импульсов выполнено по бестрансформаторной схеме через параметрический стабилизатор R6-R10-VD3.
Сетевое напряжение проходит через фильтр С12-Т2-С11. Ограничение тока заряда конденсаторов фильтра С9, С10 при включении устройства производит термистор RT1. Его высокое сопротивление в "холодном" состоянии переходит в низкое по мере разогрева токами заряда конденсаторов фильтра. Варистор RU1 шунтирует выбросы напряжения, поступающие при работе преобразователя в сеть.
Высокочастотные диоды VD7, VD8 выпрямляют напряжение с вторичной обмотки Т1, и на конденсаторе фильтра С6 получается постоянное напряжение, поступающее в нагрузку через амперметр РА1 с внутренним шунтом на 10 А. С помощью светодиодаHL2 осуществляется визуальный контроль наличия напряжения. Защита инвертора от короткого замыкания выполнена на предохранителе FU1. Заряжаемый аккумулятор подключается к клеммам ХТ1 и ХТ2 в соответствующей полярности проводом сечением 2...4 мм2.
Для поддержания заданного выходного напряжения в схему введена цепь обратной связи. Напряжение с делителя R14-R15,пропорциональное выходному, через ограничительный резистор R13 поступает на светодиод оптрона VU1. Стабилитрон VD4 ограничивает превышение напряжения на светодиоде. Фототранзистор оптрона подключен к входу управления (выводу 5) таймера DA1.
При увеличении выходного напряжения, например, из-за роста сопротивления нагрузки, увеличивается ток через светодиод VU1, фототранзистор оптрона открывается сильнее и шунтирует вход управления таймера. Напряжение на входе верхнего компаратора DA1 падает, он переключает внутренний триггер при меньшем напряжении на конденсаторе С1, т.е. длительность импульса DA1 уменьшается. Соответственно снижается выходное напряжение, и наоборот. Температурную зависимость выходного напряжения устройства можно компенсировать, заменив R15 терморезистором и закрепив его через прокладку на радиаторе транзисторов.
Детали и конструкция. Высокочастотный трансформатор Т1 типа ЕRL-35R320 или АР-450-1Т1 применен без переделки от компьютерного блока питания АТ/АТХ. Примерное число витков первичной обмотки - 38...46, провод 0,8 мм. Вторичная обмотка имеет 2x7,5 витков и выполнена жгутом 4x0,31 мм. Дроссель L1 используется от фильтра вторичного напряжения блока питания компьютера. Сердечник - ферритовый, размерами 10x26x10 мм. Число витков - 15...25, провод 0,6...0,8 мм. Дроссель Т2 -двухобмоточный, типа 15-Е000-0148 или фильтр НР1-Р16 на ток 1,6 А (индуктивность - 2x6 мГн).
В качестве таймера DA1 можно использовать отечественную микросхему КР1006ВИ1 или импортные микросхемы-аналоги, основные параметры которых приведены в табл.1. Для замены силовых транзисторов VT2, VT3 подойдут типы, указанные в табл.2.
Элементы устройства размещены на двух печатных платах, чертежи которых представлены на рис.2 и 3.
Транзисторы VT2, VT3 необходимо установить на радиатор через прокладки и изолированные шпильки. Собранные печатные платы монтируются в подходящем корпусе на стойках, амперметр устанавливается в вырезанном отверстии, рядом приклеиваются светодиоды HL1, HL2 и закрепляются регулятор тока R1,выключатель SA1 и предохранители FU1, FU2.
Перед первым включением устройства вместо сетевого предохранителя подключается лампочка от холодильника (220 Вх15 Вт), а вместо нагрузки - автомобильная лампочка (12 Вх55 Вт). Слабый накал лампочки холодильника указывает на рабочее состояние схемы. Через несколько секунд работы после отключения от сети проверяется нагрев транзисторов. Если температура нормальная, резистором R14 при среднем положении движка R1 устанавливается выходное напряжение (под нагрузкой) 13,8 В. При повороте движка R1 яркость автомобильной лампочки должна изменяться.
При недостаточном охлаждении транзисторов и диодов выпрямителя на корпусе зарядного устройства дополнительно устанавливается вентилятор. Но лучше использовать корпус от устаревшего блока питания компьютера со штатным вентилятором.
Представлена конструкция защиты для блока питания любого типа. Данная схема защиты может совместно работать с любыми блоками питания - сетевыми, импульсными и аккумуляторами постоянного тока. Схематическая развязка такого блока защиты относительна проста и состоит из нескольких компонентов.
Схема защиты блока питания
Силовая часть - мощный полевой транзистор - в ходе работы не перегревается, следовательно в теплоотводе тоже не нуждается. Схема одновременно является защитой от переплюсовки питания, перегруза и КЗ на выходе, ток срабатывания защиты можно подобрать подбором сопротивления резистора шунта, в моем случае ток составляет 8 Ампер, использовано 6 резисторов 5 ватт 0,1 Ом параллельно подключенных. Шунт можно сделать также из резисторов с мощностью 1-3 ватт.
Более точно защиту можно настроить путем подбора сопротивления подстроечного резистора. Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока
~~~При КЗ и перегрузе выхода блока, защита мгновенно сработает, отключив источник питания. О срабатывании защиты осведомит светодиодный индикатор. Даже при КЗ выхода на пару десятков секунд, полевой транзистор остается холодным
~~~Полевой транзистор не критичен, подойдут любые ключи с током 15-20 и выше Ампер и с рабочим напряжением 20-60 Вольт. Отлично подходят ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные - IRF3205, IRL3705, IRL2505 и им подобные.
~~~Данная схема также отлично подходит в качестве защиты зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, если вдруг перепутали полярность подключения, то с зарядным устройством ничего страшного не произойдет, защита спасет устройство в таких ситуациях.
~~~Благодаря быстрой работе защиты, ее можно с успехом применить для импульсных схем, при КЗ защита сработает быстрее, чем успеют сгореть силовые ключи импульсного блока питания. Схематика подойдет также для импульсных инверторов, в качестве защиты по току. При перегрузе или кз во вторичной цепи инвертора, мигом вылетают силовые транзисторы инвертора, а такая защита не даст этому произойти.
Комментарии
Защита от короткого замыкания
, переплюсовки полярноси и перегруза собрана на отдельной плате. Силовой транзистор использован серии IRFZ44, но при желании можно заменить на более мощный IRF3205 или на любой другой силовой ключ, который имеет близкие параметры. Можно использовать ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и другие ключи с током более 20 Ампер. В ходе работы полевой транзистор остается ледяным,. поэтому в теплоотводе не нуждается.
Второй транзистор тоже не критичен, в моем случае использован высоковольтный биполярный транзистор серии MJE13003, но выбор большой. Ток защиты подбирается исходя из сопротивления шунта — в моем случае 6 резисторов по 0,1Ом параллельно, защита срабатывает при нагрузке 6-7 Ампер. Более точно можно настроить вращением переменного резистора, таким образом я настроил ток срабатывания в районе 5 Ампер.
Мощность блока питания довольно приличная, выходной ток доходит до 6-7 Ампер, что вполне достаточно для зарядки автомобильного аккумулятора.
Резисторы шунта выбрал с мощностью 5 ватт, но можно и на 2-3 ватт.
Если все сделано правильно, то блок начинает работать сразу, замыкайте выход, должен загореться светодиодный индикатор защиты, который будет гореть до тех пор, пока выходные провода находятся в режиме КЗ.
Если все работает как нужно, то приступаем дальше. Собираем схему индикатора.
Схема срисована из зарядника аккумуляторной отвертки.
Красный индикатор свидетельствует о том, что имеется выходное напряжение на выходе БП, зеленый индикатор показывает процесс заряда. С таким раскладом компонентов, зеленый индикатор будет постепенно потухат и окончательно потухнет, когда напряжение на аккумуляторе будет 12,2-12,4 Вольт, когда аккумулятор отключен, индикатор гореть не будет.
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 двухтактного 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 двухтактного 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: двух 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 |
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 только 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 |
h21 |
T вкл.мск |
Корпус |
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 радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1 | Программируемый таймер и осциллятор | LMC555 | 1 | В блокнот | ||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ940А | 1 | В блокнот | ||
| VT2, VT3 | Биполярный транзистор | 2SC4242 | 2 | В блокнот | ||
| VD1, VD2 | Диод | КД512Б | 2 | В блокнот | ||
| VD3 | Стабилитрон | КС215Ж | 1 | В блокнот | ||
| VD4 | Стабилитрон | КС133А | 1 | В блокнот | ||
| VD5, VD6 | Выпрямительный диод | FR155 | 2 | В блокнот | ||
| VD7, VD8 | Диод | КД213Б | 2 | В блокнот | ||
| VD9 | Диодный мост | RS406L | 1 | В блокнот | ||
| DA2 | Оптопара | LTVD817 | 1 | В блокнот | ||
| С1 | Конденсатор | 2200 пФ | 1 | Подбор | В блокнот | |
| С2 | 100 мкФ 16 В | 1 | В блокнот | |||
| С3 | Конденсатор | 0.01 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| С4, С5, С12 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 3 | В блокнот | ||
| С6 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 25 В | 1 | В блокнот | ||
| С7 | Конденсатор | 2000 пФ | 1 | В блокнот | ||
| С8 | Конденсатор | 1 мкФ 400 В | 1 | В блокнот | ||
| С9, С10 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 160 В | 2 | В блокнот | ||
| С11 | Конденсатор | 0.1 мкФ 600 В | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Переменный резистор | 100 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 2.4 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 1.6 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Резистор | 240 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R6 | Резистор | 47 кОм | 1 | 1 Вт | В блокнот | |
| R7 | Резистор | 12 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R8 | Резистор | 2.7 кОм | 1 | 0.5 Вт | В блокнот | |
| R9 | Резистор | 510 Ом | 1 | 0.5 Вт | В блокнот | |
| R10 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | 1 Вт | В блокнот | |
| R11, R12 | Резистор | 100 Ом | 2 |
Схема такого импульсного блока питания в интернете встречается довольно часто, но в некоторых из них допущены ошибки, я же в свою очередь чуть доработал схему. Задающая часть (генератор импульсов) собран на ШИМ-контроллере IR2153. Схема из себя представляет типичный полумостовой инвертор с мощностью 250 ватт.
Импульсное ЗУ для зарядки аккумуляторов схема
Мощность инвертора можно повысить до 400 ватт, если заменить электролитические конденсаторы на 470 мкФ 200 Вольт.
Силовые ключи с нагрузкой до 30 -50 ватт остаются холодными, но их нужно установить на теплоотводы, возможно будет нужда в воздушном охлаждении.
Использован готовый трансформатор от компьютерного блока питания (подойдет буквально любой). Они имеют шину 12 Вольт до 10 Ампер (зависит от мощности блока, в котором они использовались, в некоторых случаях обмотка на 20 Ампер). 10 Ампер тока вполне хватит для зарядки мощных кислотных аккумуляторов с емкостью до 200А/ч.
Диодный выпрямитель - в моем случае была использована мощная диодная сборка шоттки на 30 Ампер. Диод всего один.
ВНИМАНИЕ!
Не коротить вторичную обмотку трансформатора, это приведет к резкому повышению тока в первичной цепи, к перегреву транзисторов, в следствии чего они могут выйти из строя.
Дроссель - тоже был снят от импульсного БП, его при желании можно исключить из схемы, он тут применен в сетевом фильтре.
Предохранитель тоже не обязательно ставить. Термистор - любой (я взял от нерабочего компьютерного блока питания). Термистор сохраняет силовые транзисторы во время бросков напряжения. Половина компонентов этого блока питания можно выпаять из нерабочих компьютерных БП, в том числе и электролитические конденсаторы.
Полевые транзисторы - я ставил мощные силовые ключи серии IRF740 с напряжением 400 Вольт при токе до 10 Ампер, но можно использовать любые другие аналогичные ключи с рабочим напряжением не менее 400 Вольт с током не менее 5 Ампер.
В основу устройства положен двухтактный полумостовой импульсный преобразователь (инвертор) на мощных транзисторах VT4 и VT5, управляемый широтно-импупьсным контроллером DA1 по низковольтной стороне. Такие преобразователи, устойчивые к повышению питающего напряжения и изменению сопротивления нагрузки, хорошо зарекомендовали себя в источниках питания современных компьютеров. Поскольку в ШИ-контроллере К1114ЕУ4 находятся два усилителя ошибки, для контроля зарядного тока и выходного напряжения не требуется дополнительных микросхем.
Быстродействующие диоды VD14, VD15 защищают коллекторный переход транзисторов VT4, VT5 от обратного напряжения на обмотке I трансформатора Т2 и отводят энергию выбросов обратно в источник питания. Диоды должны обладать минимальным временем включения.
Терморезистор R9 ограничивает ток зарядки конденсаторов С7, С8 при включении устройства в сеть.
Для подавления помех со стороны преобразователя служит сетевой фильтр С1, С2,С5,L1.
Цепи R19, R21, С12, VD9 и R20, R22, C13, VD10 служат для форсирования процесса закрывания коммутирующих транзисторов путем подачи в их базовую цепь минусового напряжения. Это позволяет снизить коммутационные потери и увеличить КПД преобразователя.
Конденсатор С9 предотвращает подмагничивание магнитопровода трансформатора Т2 из-за неодинаковой ёмкости конденсаторов С7 и С8.
Цепь R17, С11 способствует уменьшению амплитуды выбросов напряжения на обмотке I трансформатора Т2.
Трансформатор Т1 гальванически развязывает вторичные цепи от сети и передает управляющие импульсы в базовую цепь коммутирующих транзисторов. Обмотка III обеспечивает пропорционально токовое управление. Использование трансформаторной развязки позволило сделать эксплуатацию устройства безопасной.
Выпрямитель зарядного тока выполнен на диодах КД2997А (VD11, VD12), способных работать на сравнительно высокой рабочей частоте преобразователя.
Резистор R26 - выполняет роль датчик тока. Напряжение с этого резистора, поданное на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки контроллера DA1, сравнивается с напряжением на его инвертирующем входе, устанавливаемом резистором R1 "ТОК ЗАРЯДА". При изменении сигнала ошибки изменяется скважность управляющих импульсов, время открытого состояния коммутирующих транзисторов инвертора и, значит, передаваемая в нагрузку мощность.
Напряжение с делителя R23, R24, пропорциональное напряжению на заряжаемой батарее, поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки и сравнивается с напряжением на резисторе R4, приложенным к инвертирующему входу этого усилителя. Таким образом происходит регулирование выходного напряжения. Это позволяет избежать интенсивного кипения электролита в конце зарядки путем снижения зарядного тока.
ШИ - контроллер имеет встроенный источник стабильного напряжения 5 В, который питает все делители напряжения, задающие требуемые значения напряжения на выходе устройства и зарядного тока.
Рис. 1. Принципиальная схема импульсного зарядного устройства.
Поскольку питание на микросхему DA1 поступает с выхода устройства, недопустимо снижение выходного напряжения устройства до 8 В - в этом случае прекращается стабилизация зарядного тока и он может превысить предельно допустимое значение. Подобные ситуации исключает узел, собранный на транзисторе VTЗ и стабилитроне VD13, - он блокирует включение зарядного устройства, если его нагрузить неисправной либо сильно разряженной батареей (с ЭДС менее 9 В). Стабилитрон, а значит, и транзистор узла остаются закрытыми, а вход DTC (вывод 4) микросхемы DA1 - подключенным через резистор R6 к выходу Uref встроенного источника образцового напряжения (вывод 14). Напряжение на входе DTC при этом - не менее 3 В, и формирование импульсов запрещено.
При подключении к выходу устройства исправной батареи открывается стабилитрон VD13 и вслед за ним транзистор VTЗ, замыкая на общий провод вход DTC контроллера и тем самым разрешая формирование импульсов на выводах 8 и 11 (выходы C1, С2 - открытый коллектор). Частота следования импульсов - около 60 кГц. После усиления по току транзисторами VT1, VT2 они через трансформатор Т1 передаются на базу коммутирующих транзисторов VT4 и VT5.
Частоту повторения импульсов определяют элементы R10 и С6. Её рассчитывают по формуле:
F=1,1/R10 * С6.
Настройка устройства
Для налаживания преобразователя потребуются ЛАТР, осциллограф, исправная аккумуляторная батарея и два измерителя - вольтметр и амперметр (до 20 А). Если в распоряжении радиолюбителя окажется развязывающий трансформатор 220 В х 220 В мощностью не менее 300 Вт, следует устройство включить через него - работать будет безопаснее.
Сначала через временный токоограничительный резистор сопротивлением 1 Ом мощностью не менее 75 Вт (или автомобильную лампу мощностью 40-60 Вт) подключают к выходу устройства батарею и убеждаются в наличии плюсового напряжения 5 В на выходе Uref (вывод 14) ШИ контроллера. Подключают осциллограф к выводам 8 и 11 (выходы С1 и С2) контроллера и наблюдают импульсы управления. Движок резистора R1 устанавливают в крайнее нижнее по схеме положение (минимальный зарядный ток) и подают от ЛАТРа на сетевой вход устройства напряжение 36 -48 В.
Транзисторы VT4 и VT5 не должны сильно нагреваться. Осциллографом контролируют напряжение между эмиттером и коллектором этих транзисторов. При наличии выбросов на фронте импульсов следует применить более быстродействующие диоды VD14, VD15 либо точнее подобрать элементы R17 и СП демпфирующей цепи.
Необходимо иметь в виду, что далеко не все осциллографы допускают измерения в цепях, гальванически связанных с сетью. Кроме этого, помните, что часть элементов устройства находится под сетевым напряжением - это небезопасно!
Если все в порядке, напряжение на сетевом входе плавно повышают ЛАТРом до 220 В и контролируют работу транзисторов VT4, VT5 по осциллографу. Выходной ток при этом не должен превышать 3 А. Вращая движок резистора R1, убеждаются в плавном изменении тока на выходе устройства.
Далее из выходной цепи удаляют временный токоограничительный резистор (или лампу) и подключают батарею непосредственно к выходу устройства. Подбирают резисторы R2, R5 так, чтобы пределы изменения зарядного тока регулятором R2 были равны 0,5 и 25 А. Устанавливают максимальное выходное напряжение равным 15 В подборкой резистора R4.
Ручку регулятора R2 снабжают шкалой, проградуированной в значениях зарядного тока. Можно оснастить устройство амперметром.
Коробка и все металлические нетоковедущие части зарядного устройства на время его работы должны бытъ надежно заземлены. Не рекомендуется оставлять работающее зарядное устройство на длительное время без присмотра.
Детали
Диоды КД257Б можно заменить на RL205, а КД2997А - на другие, в том числе на диоды Шатки с обратным напряжением более 50 В и выпрямленным током более 20 А, FR155 - на быстродействующие импульсные диоды FR205, FR305, а также UF4005.
Диоды VD11, VD12 также снабжают общим теплоотводом площадью поверхности не менее 200 см2.
ШИ-контроллер К1114ЕУ4 имеет множество зарубежных аналогов - TL494IN, DBL494, mPC494, IR2M02, КА7500.
Вместо КТ886А-1 подойдут транзисторы КТ858А, КТ858Б или КТ886Б-1.
Транзисторы VT4 и VT5 устанавливают на теплоотводы площадью не менее 100 см.
Использовать в качестве теплоотвода стенки коробки устройства, а также общий теплоотвод для диодов и транзисторов не следует из соображений безопасности эксплуатации зарядного устройства. Размеры теплоотводов можно существенно уменьшить, если принудительно охлаждать их вентилятором.
Трансформаторы самые ответственные и трудоемкие элементы любого импульсного преобразователя. От качества их изготовления зависят не только характеристики устройства, но и вообще его работоспособность.
Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20х12x6 из феррита М2000НМ.
Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,4 равномерно по всему кольцу и содержит 2x28 витков.
Обмотки II и IV - по 9 витков провода ПЭВ-2 0,5.
Обмотка III - два витка провода МГТФ-0,8. Обмотки изолированы одна от другой и от магнитопровода двумя слоями тонкой фторопластовой ленты.
Трансформатор Т2 намотан на броневом магнитопроводе Ш10х10 из феррита М2000НМ (или, еще лучше, М2500НМС), годится и кольцевой магнитопровод аналогичного сечения.
Обмотка I содержит 35 витков провода ПЭВ-2 0,8.
Обмотка II - 2x4 витка жгута сечением не менее 4 мм2 из нескольких проводов ПЭВ-2 или ПЭЛ. Если принудительно охлаждать трансформатор, сечение жгута можно уменьшить.
Следует отметить, что от качества межобмоточной изоляции трансформаторов зависит не только надежность устройства, но и безопасность его эксплуатации, поскольку именно она изолирует вторичные цепи от напряжения сети. Поэтому не следует выполнять ее из подручных материалов - оберточной бумаги, канцелярского скотча и т. д. - и уж тем более пренебрегать ей, как иногда делают малоопытные радиолюбители. Лучше всего применять тонкую фторопластовую ленту или конденсаторную бумагу из высоковольтных конденсаторов, укладывая её в 2 - 3 слоя.