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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Convertitore per l'alimentazione di elettrodomestici
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Convertitori di tensione, raddrizzatori, inverter Per l'attenzione dei lettori, offriamo una descrizione di un convertitore di riserva per l'alimentazione di apparecchiature domestiche in assenza di tensione nella rete di illuminazione. La sua caratteristica distintiva è la presenza di due stadi di conversione: alta frequenza e bassa frequenza, che hanno permesso di ridurre significativamente le dimensioni e il peso del dispositivo. Oggi c'è un crescente interesse per lo sviluppo e la produzione di potenti convertitori per l'alimentazione di varie apparecchiature domestiche dalle batterie. Ciò è dovuto in gran parte a due fattori. In primo luogo, restrizioni e interruzioni di vario tipo nella fornitura di energia elettrica, che recentemente sono diventate una pratica comune in molte regioni del Paese. In secondo luogo, i risultati moderni nel campo della produzione industriale di componenti elettronici specializzati per la tecnologia dei convertitori. Questi includono, prima di tutto, potenti transistor ad effetto di campo ad alta velocità con la loro intrinseca facilità di controllo e basse perdite nello stato, nonché un'ampia gamma di controller PWM integrati, che sono, di fatto, controlli di convertitori a chip singolo unità. È anche importante che recentemente una tale base di elementi sia diventata disponibile per un normale radioamatore, sia in termini di nomenclatura che di costi. Di conseguenza, è stato possibile sviluppare dispositivi di conversione contenenti un numero limitato di parti e allo stesso tempo aventi elevate caratteristiche energetiche e operative. Le descrizioni di tali convertitori sono state pubblicate più di una volta sulle pagine di Radio [1, 2] e nella relativa letteratura tecnica [3, 4]. Una caratteristica distintiva di questi dispositivi è che funzionano tutti a una bassa frequenza di conversione (solitamente 50 Hz). Ciò è dovuto alla necessità di garantire che i parametri di uscita dei convertitori corrispondano alle caratteristiche di frequenza della rete elettrica domestica, poiché esiste un'ampia classe di apparecchi elettrici che richiedono una tensione di alimentazione alternata. Tra questi rientrano ad esempio tutte le utenze che contengono un trasformatore di rete o diversi tipi di motori AC. Allo stesso tempo, la scelta di una bassa frequenza di conversione provoca alcune difficoltà progettuali e operative: la realizzazione di un potente trasformatore di uscita, che determina principalmente i parametri di peso e dimensione dell'intero dispositivo, e il caratteristico "ronzio" del convertitore durante il suo funzionamento. Inoltre, i convertitori descritti, di regola, non sono dotati di unità per stabilizzare la tensione di uscita in base alla potenza del carico ad essi collegato o al grado di scarica della batteria di alimentazione. Di conseguenza, sono possibili variazioni nell'ampiezza della tensione alternata di uscita entro un intervallo abbastanza ampio (fino al 30...40%), il che non sempre ha un effetto favorevole sui consumatori. Tutto quanto sopra ha predeterminato la progettazione del convertitore proposto, sviluppato tenendo conto degli svantaggi indicati inerenti ai dispositivi esistenti. Funzionalmente, il convertitore è costituito da due parti principali: un potente inverter boost ad alta frequenza con un raddrizzatore di uscita e un interruttore inverter a bassa frequenza. Principali caratteristiche tecniche
Lo schema del dispositivo è mostrato in fig. 1. L'inverter ad alta frequenza è realizzato secondo il circuito di un convertitore push-pull forward utilizzando transistor VT1 -VT4 e trasformatore T1. I vantaggi di questa soluzione includono bassi livelli di ondulazione, un migliore utilizzo dei transistor di commutazione in termini di corrente e un'efficienza più elevata rispetto ai convertitori assemblati utilizzando un circuito a ponte. Gli elementi di smorzamento VD2, VD3, R1, C3 vengono utilizzati per ridurre l'ampiezza dei picchi di tensione durante la commutazione e facilitare il funzionamento dei transistor.
La protezione dell'inverter da sovraccarico o cortocircuito in uscita si basa sul relè di corrente K1 incluso nel circuito di alimentazione primario. È realizzato sulla base di un interruttore reed con un gruppo di contatti di chiusura, posti al centro di una bobina di una o due spire del filo di alimentazione proveniente dal terminale positivo della batteria. Allo stesso tempo, la resistenza interna di tale relè è molto piccola e non ha praticamente alcun effetto sul funzionamento del convertitore in modalità normale. In caso di sovraccarico, i contatti dell'interruttore reed si chiudono inviando il corrispondente segnale di protezione all'unità di controllo dell'inverter HF A1. La velocità della protezione di corrente è 1...2 ms. Il raddrizzatore della tensione di uscita è realizzato secondo il circuito a ponte sui diodi VD4-VD7, che consente anche di ridurre il livello di ondulazioni e aumentare il fattore di utilizzo del trasformatore di impulsi T1. La tensione raddrizzata viene fornita al filtro di livellamento L1C5-C7. Il segnale di feedback della tensione necessario per il funzionamento dell'unità di controllo inverter RF A1 viene rimosso dal divisore di tensione resistivo R3-R5. La tensione CC stabilizzata viene fornita a un inverter-commutatore a bassa frequenza, realizzato secondo un circuito a ponte intero utilizzando transistor VT5-VT8. La tensione alternata rettangolare della frequenza di rete generata dall'interruttore viene fornita al carico del convertitore. La modalità operativa dell'interruttore determina l'unità di controllo dell'inverter LF A2. I transistor VT5-VT8 sono controllati da driver identici A4-A7, isolati galvanicamente dal resto dei componenti del convertitore. Il "cuore" dell'inverter HF è il chip controller PWM KR1156EU2 [5] (analogo straniero - UC3825 di Unitrode [6]), progettato specificamente per il controllo di alimentatori a commutazione push-pull con un'elevata frequenza di commutazione, funzionanti con tensione o feedback attuale. Lo schema dell'unità di controllo dell'inverter HF A1 è mostrato in fig. 2.
La frequenza dell'oscillatore principale interno del controller è determinata dai valori degli elementi esterni: resistore R9 e condensatore C9, e ai valori indicati è di circa 50 kHz. Il segnale a dente di sega necessario per il funzionamento, generato sul condensatore C9, viene fornito all'ingresso RAMPA del microcircuito. Una tensione proveniente da una sorgente di riferimento di +5 V viene applicata all'ingresso diretto IN dell'amplificatore del segnale di errore (USO) all'interno del microcircuito. Il guadagno USO nella regione a bassa frequenza dipende dalla resistenza dei resistori R4, R7 ed è pari a 3. Il condensatore C5 è progettato per correggere la risposta in frequenza dell'amplificatore nella regione ad alta frequenza al fine di aumentare la stabilità di l'intero sistema di controllo dell'ampiezza dell'impulso. La variazione dell'ampiezza degli impulsi di controllo in uscita avviene come risultato del confronto del comparatore interno del regolatore di tensione a dente di sega che agisce sull'ingresso RAMP con la tensione di uscita del dispositivo. Gli impulsi di controllo generati con una frequenza di ripetizione di 25 kHz dalle uscite OUTA e OUTB vengono forniti rispettivamente ai transistor VT1, VT2 e VT3, VT4. Il condensatore C10 determina il funzionamento del nodo di avvio graduale del controller. Al momento dell'accensione, il condensatore inizia a caricarsi dalla sorgente con una corrente di 9 μA, mentre l'aumento della tensione sul pin SS durante la carica garantisce un aumento graduale della durata del ciclo operativo del controller. Come si può vedere dallo schema principale (vedi Fig. 1), in caso di sovraccarico del convertitore, il relè di corrente K1 si attiva, chiudendo i contatti dell'interruttore reed K1.1. Ciò apre il trinistor VS1, provocando l'accensione del LED "Protezione" HL1, nonché la comparsa di una caduta di tensione di circa 2 V attraverso il resistore R8. Questa tensione viene applicata all'ingresso del controller SD, mettendolo così in modalità di blocco. Le uscite OUTA, OUTB del chip DA1 vengono commutate in uno stato ad alta impedenza e i transistor di commutazione VT1-VT4 sono chiusi. Per riportare il dispositivo allo stato operativo dopo che il sovraccarico è stato eliminato, sarà necessario spegnere per un po' l'alimentazione al convertitore. Lo stabilizzatore parametrico R12VD8 limita la tensione di alimentazione del controller a 12 V. L'unità di alimentazione del driver A2 è un convertitore di impulsi a bassa potenza realizzato secondo il circuito mostrato in Fig. 3.
Un oscillatore principale è assemblato sugli elementi logici DD1.1, DD1.2, generando impulsi con una frequenza di ripetizione di circa 100 kHz. Segue un divisore di frequenza per 4, realizzato sui trigger del chip DD2. Gli impulsi dalle uscite inverse dei trigger DD2.1, DD2.2 e dall'uscita diretta del trigger DD2.2 vengono forniti agli elementi logici DD1.3 e DD1.4. Dalle uscite di questi elementi, gli impulsi di controllo generati con una frequenza di ripetizione di circa 25 kHz vengono forniti ai transistor VT9 e VT10, che commutano la corrente dell'avvolgimento primario del trasformatore T2. Lo schema della centralina per l'inverter di bassa frequenza A3 è mostrato in fig. quattro.
L'oscillatore principale è assemblato sul timer integrato DA2, collegato secondo un circuito standard. La frequenza di ripetizione degli impulsi generati è determinata dagli elementi C17, R23, R24. Per i valori nominali specificati è 100 Hz. Il segnale proveniente dal generatore viene inviato a un divisore di frequenza per 2, raccolto su un trigger DD3.1, che funge da modellatore di segnale bifasico. Inoltre, dal modellatore, gli impulsi con una frequenza di 50 Hz vengono forniti agli elementi logici DD4.1, DD4.2, dalla cui uscita, attraverso i transistor VT11, VT12, vengono alimentati ai corrispondenti LED dei fotoaccoppiatori del driver (A4-A7). Un dispositivo one-shot assemblato su un trigger DD3.2 è progettato per ottenere una pausa tra gli impulsi di controllo. La presenza di tale pausa è necessaria per evitare il verificarsi di corrente passante nelle spalle del ponte a transistor VT5-VT8. La durata della pausa formata è determinata dai valori degli elementi C19, R25, R26, e per quelli indicati nel diagramma è di circa 1 ms. I driver A4-A7 per il controllo dei transistor di commutazione VT5-VT8 dell'inverter a bassa frequenza sono realizzati secondo circuiti identici in Fig. 5.
Il segnale di controllo viene fornito al driver tramite il fotoaccoppiatore a diodi U1, che fornisce l'isolamento galvanico dall'unità di controllo dell'inverter LF. Successivamente, dopo l'amplificatore sul transistor VT13, il segnale va allo stadio di uscita complementare VT14VT15, caricato direttamente sul circuito di gate del transistor di commutazione VT5. Il driver è alimentato da un convertitore di impulsi a bassa potenza A2 attraverso un trasformatore di isolamento T3 e un ponte a diodi VD15 con un filtro di livellamento C21. Il circuito R34VD14 limita la tensione massima al gate del transistor ad effetto di campo a 15 V. Nella versione originale, il convertitore è assemblato in una custodia metallica di dimensioni adeguate: 200x120x120 mm. L'aspetto del dispositivo è mostrato in fig. 6.
Tutte le unità funzionali del convertitore sono assemblate su circuiti stampati separati, ad eccezione degli elementi di potenza. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla topologia del layout del circuito stampato del controller PWM, cercando di evitare una stretta vicinanza dei conduttori dei circuiti di ingresso e di uscita e, se possibile, di minimizzarne la lunghezza. Raccomando che il circuito stampato per questo assemblaggio sia realizzato in fibra di vetro a doppia faccia, utilizzando la lamina su un lato come filo comune. Gli elementi combustibili VT1 - VT4 dell'inverter ad alta frequenza, nonché il trasformatore T1, i condensatori C1, C2 e gli elementi smorzanti VD2, VD3, R1, C3 sono montati sulla parete posteriore dell'alloggiamento, costituita da una solida piastra in duralluminio con dimensioni di 120x120 mm e uno spessore di 8 mm. L'installazione viene effettuata con un filo di rame (pneumatico) con una sezione trasversale di 10 mm2. La parete posteriore esterna è dotata di alette disposte verticalmente, quindi la superficie di lavoro effettiva del dissipatore di calore risultante è di circa 600 cm2. Lo spazio rimanente sulla parete posteriore dell'apparecchio è riservato ai morsetti per il collegamento della batteria e al fusibile FU1. I transistor VT5-VT8 sono dotati di piccoli dissipatori di calore, ciascuno con un'area di circa 50 mm==2. Al posto dei transistor IRFZ34N (VT1-VT4) indicati nello schema, IRFZ44, BUZ11, KP723A o qualsiasi altro MOSFET con canale n indotto, una corrente di drain massima di almeno 35 A, una tensione drain-source massima di almeno 55 V e una resistenza del canale aperto non superiore a 0,04 ohm. Invece dei transistor IRF820 (VT5-VT8), è consentito utilizzare IRF830, BUZ90, KP707B1 o altre strutture appropriate con una corrente di drain massima di almeno 2 A e una tensione drain-source massima di almeno 400 V. Transistor KT972A ( VT9-VT12) sono sostituibili con KT829A o compositi KT315 + KT815 con qualsiasi indice di lettera. Al posto del resto dei transistor, è possibile utilizzare qualsiasi bipolare a bassa potenza della struttura corrispondente. I diodi KD226G (VD4-VD7) possono essere sostituiti da KD226D. Condensatori all'ossido C1, C2, C5, C6 - K50-24, K50-27, in grado di funzionare in circuiti con significative ondulazioni di corrente. I restanti condensatori all'ossido utilizzati nel dispositivo sono K50-6, K50-16, K53-14A, non polari - qualsiasi ceramica, ad esempio KM-5, KM-6, K10-17. Interruttore Q1 - qualsiasi, progettato per una corrente nominale di almeno 20 A. Il relè di corrente K1 è realizzato sulla base di un interruttore reed KEM-1 o simile con una coppia di contatti normalmente aperti, che ha il tempo di risposta più breve possibile. L'interruttore reed è posto in un tubo cilindrico a pareti sottili di materiale non magnetico di diametro adeguato. Sul tubo è avvolto un avvolgimento del relè contenente una o due spire. Il numero esatto di giri viene selezionato durante la regolazione. L'induttore L1 è realizzato sulla base del circuito magnetico B28 in ferrite M2000NM. Un avvolgimento viene avvolto sul telaio della bobina finché non viene riempito con filo PEV-2 0,9. Durante il montaggio tra le parti del circuito magnetico viene interposta una guarnizione in materiale amagnetico dello spessore di 0,1 mm. L'induttanza di tale induttanza è di circa 1 mH. Il trasformatore T1 è avvolto su due nuclei magnetici ad anello K65x40x6 di ferrite M4000NM piegati insieme. L'avvolgimento I contiene 2x6 spire di 60 conduttori PEV-2 0,35 e l'avvolgimento II contiene 220 spire di filo PEV-2 0,9. Prima dell'avvolgimento è necessario arrotondare gli spigoli vivi del nucleo magnetico. L'avvolgimento II viene avvolto per primo, turno dopo turno. Quindi viene posato l'isolamento tra gli avvolgimenti, sopra il quale è posizionato l'avvolgimento I. Per ridurre l'induttanza di dispersione, viene avvolto in due fili (in due fasci di 60 conduttori ciascuno) e distribuito uniformemente lungo il nucleo magnetico. Per l'avvolgimento primario è possibile utilizzare un fascio formato dalla treccia schermante in rame di un cavo coassiale di sezione adeguata (5...7 mm2). Per garantire l'isolamento tra le spire, il fascio viene inserito in un tubo di materiale isolante (ad esempio cloruro di polivinile) di diametro adeguato. Il punto medio dell'avvolgimento primario si ottiene collegando l'inizio di un semiavvolgimento all'estremità dell'altro. Il trasformatore T2 è realizzato su un anello K28x16x9 in ferrite M2000NM. Gli avvolgimenti contengono: primario - 2x20 e secondario - 20 giri di filo PEV-2 0,4. Innanzitutto, come nel trasformatore T1, viene avvolto l'avvolgimento secondario e sopra di esso - in due fili - il primario. Collegando l'inizio di un semiavvolgimento alla fine dell'altro, si ottiene un punto medio. Ogni trasformatore di potenza del driver TZ (ne dovranno essere realizzati quattro) è avvolto su un anello K20x12x6 realizzato in ferrite M2000NM. Gli avvolgimenti contengono: primario - 30, secondario - 40 giri di filo PEV-2 0,28. L'avvolgimento secondario viene avvolto per primo. Per configurare il convertitore è necessaria una sorgente di tensione continua di 10...15 V con una corrente di uscita di 5...10 A. A questo scopo è possibile utilizzare un caricabatteria per auto, preferibilmente dotato di sovraccarico della corrente di uscita. protezione. Le parti ad alta e bassa frequenza del convertitore vengono regolate separatamente. Dopo aver assemblato la parte ad alta frequenza del dispositivo, è necessario assicurarsi che l'installazione sia corretta e di alta qualità. Quindi il motore del resistore variabile R4 viene impostato nella posizione più alta secondo lo schema. L'alimentazione viene fornita al dispositivo tramite un resistore limitatore di corrente con una resistenza di 10 Ohm e una potenza di 5 W. In questo caso, la corrente a vuoto non deve superare 300 mA e la tensione all'uscita del raddrizzatore VD4-VD7 deve essere compresa tra 190...200 V. Spostando il cursore del resistore variabile R4, con una resistenza di circa 0,5 Ohm, selezionare il numero di giri in modo che l'interruttore reed funzioni con una corrente di circa 25 A. Successivamente, il relè di corrente viene collegato al dispositivo e la parte ad alta frequenza viene regolata, alimentandola dalla batteria. Aumentando gradualmente la potenza del carico collegato al raddrizzatore VD4-VD7 fino a 200 W, controllano la corrente consumata, la tensione di uscita e la modalità termica del convertitore. Durante il funzionamento a lungo termine, la temperatura del dissipatore di calore non deve superare i 60 °C. Su questo, la creazione della parte ad alta frequenza del dispositivo può essere considerata completa. Non è necessario regolare l'alimentatore dei driver e i driver stessi durante un'installazione priva di errori. La configurazione dell'unità di controllo per l'inverter a bassa frequenza consiste nell'impostare la frequenza del generatore di clock (100 Hz) con la resistenza di regolazione R23 e la durata della pausa tra gli impulsi di uscita (circa 1 ms) con la resistenza di regolazione R26. Dopo aver assemblato l'intera parte a bassa frequenza del convertitore, al suo ingresso viene applicata una tensione costante di 10...15 V (tenendo conto della polarità), monitorando la tensione alternata in uscita sul resistore R6 utilizzando un oscilloscopio. Il segnale di uscita osservato dovrebbe essere rettangolare, simmetrico con un ciclo di lavoro pari a 2, senza distorsioni visibili. Se necessario, apportare ulteriori modifiche alla durata della pausa tra i semicicli del meandro utilizzando il resistore di regolazione R26. Questo completa la regolazione della parte a bassa frequenza del convertitore. Inoltre, le parti ad alta e bassa frequenza sono collegate tra loro e le prestazioni del convertitore vengono monitorate nel loro insieme nell'intero intervallo di potenza, se necessario, regolando la tensione alternata di uscita di 220 V con un resistore variabile R4. La tensione di uscita deve essere misurata con un dispositivo indicatore che mostra il valore effettivo (effettivo)! In conclusione, vorrei sottolineare che il dispositivo proposto è facile da adattare alle caratteristiche di output richieste. Selezionando il fattore di divisione del partitore resistivo R3-R5, è possibile impostare una diversa tensione di uscita (ad esempio, 127 V), e modificando i valoridegli elementi C17, R24, si possono ottenere altri valori della frequenza di uscita (ad esempio 400 Hz). Letteratura
Autore: I.Poley, Yuzhno-Sakhalinsk
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