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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Potente convertitore di tensione CC stabilizzato per l'alimentazione di apparecchiature di rete. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Convertitori di tensione, raddrizzatori, inverter Il dispositivo proposto è progettato per alimentare apparecchiature funzionanti da una rete 220 V 50 Hz sul campo, nonché durante un arresto di emergenza della rete CA. Il convertitore ha un design a blocchi. Alimenta il carico con una tensione continua stabilizzata di 310 V o una tensione alternata impulsiva della stessa ampiezza con un valore efficace di 220 V. L'aggiunta di un filtro LC consente di ottenere una tensione alternata sinusoidale di 220 V. Gli apparecchi elettrici sono ampiamente utilizzati nella vita quotidiana dell'uomo moderno. Nella stragrande maggioranza dei casi, la fonte di energia per loro è una rete a corrente alternata da 220 V. Allo stesso tempo, l'alimentazione in molte regioni del nostro paese non è altamente affidabile. Nella letteratura sui radioamatori sono stati pubblicati molti articoli sui convertitori DC-AC della batteria adatti per l'alimentazione dei consumatori durante un'interruzione di corrente. Possono funzionare secondo il principio della conversione a bassa frequenza [1-4] o ad alta frequenza [5, 6]. Ognuno di questi tipi di convertitori ha le sue caratteristiche. Quelli a bassa frequenza hanno una massa e dimensioni elevate grazie all'uso di un trasformatore a bassa frequenza. Nel convertitore [3] viene stabilizzato solo il valore rettificato medio della tensione di uscita, ma l'ampiezza e i valori effettivi non sono stabilizzati, il che in alcuni casi può portare a danni ai carichi alimentati. Il convertitore [4] utilizza la regolazione graduale della tensione di uscita senza retroazione, che non fornisce un'elevata stabilità della tensione di uscita. I trasduttori operanti a frequenze ultrasoniche (decine di kilohertz) [5, 6] sono migliori in termini di peso e dimensioni, ma la loro potenza di uscita non supera i 300 W. L'autore aveva bisogno di alimentare carichi di maggiore potenza. Durante lo sviluppo del dispositivo proposto, l'autore ha cercato di preservare i vantaggi della conversione ad alta frequenza e aumentare la potenza di uscita a 1 kW. Principali caratteristiche tecniche (a temperatura ambiente 13...20 °C)
Il convertitore è costituito da quattro blocchi: un generatore ad alta frequenza, il cui circuito è mostrato in fig. 1, un inverter ad alta frequenza con un raddrizzatore - moltiplicatore di tensione (Fig. 2), un generatore a bassa frequenza (Fig. 3) e un interruttore-inverter a ponte a bassa frequenza (Fig. 4).
Il blocco del generatore ad alta frequenza (vedi Fig. 1) contiene un'unità di controllo della tensione di ingresso sul transistor VT1 e sul relè K1, un regolatore della tensione di alimentazione interna da 9 V sul chip DA1, un generatore di impulsi da 27 kHz su DD1.1 e DD 1.2 elementi logici, nodi di ritardo fronti di impulsi sugli elementi VD4, R4, C2 e VD5, R5, C3, formatori di impulsi di controllo sugli elementi DD1.3, DD1.4, DD2.3, DD2.4 con follower di emettitore di uscita su transistor VT2-VT5, unità di controllo dell'ampiezza della tensione di uscita sugli elementi DD2.1, DD2.2.
L'unità inverter ad alta frequenza (vedi Fig. 2) contiene una cascata push-pull su potenti transistor ad effetto di campo VT6-VT9 e un trasformatore T1, nonché un raddrizzatore con una quadruplicazione della tensione sui diodi VD6-VD9 e condensatori C7 -C10. Questa unità genera una tensione stabilizzata costante di 300.310 V. Se è noto che la tensione di alimentazione CA viene rettificata e livellata nel carico, tale carico può essere collegato a questa unità tramite un fusibile con una corrente nominale di 5 A (vedere la nota redazionale all'articolo [5]). In questo caso, i blocchi rimanenti non sono necessari.
L'unità generatore a bassa frequenza (vedi Fig. 3) contiene uno stabilizzatore di tensione di alimentazione interno da 9 V sul chip DA2, un generatore di impulsi da 50 Hz sugli elementi logici DD3.1 e DD3.2, resistori di limitazione della corrente R18 e R19, nodi di ritardo del fronte di impulso sugli elementi VD12, R20, C14 e VD13, R21, C15, formatori di impulsi di controllo sugli elementi DD3.3, DD3.4, DD4.3, DD4.4 follower di emettitore di uscita sui transistor VT11-VT14, corrente di carico limitatore su transistor VT10 ed elementi DD4.1 .4.2, DDXNUMX.
Il ponte inverter-interruttore a bassa frequenza (Fig. 4) contiene un ponte su potenti transistor ad effetto di campo chiave VT17-VT20 e un sensore di corrente - resistore R33. Gli impulsi di controllo vengono applicati direttamente alle porte dei transistor inferiori VT18 e VT20 secondo lo schema e alle porte di quelli superiori secondo lo schema VT17 e VT19 - attraverso gli inverter superiori. Un inverter è assemblato sugli elementi VT15, VT16, R30, R31, C16, VD14, VD15, il secondo - su VT21, VT22, R35, R36, C17, VD16, VD17. Una tensione costante di 310 V viene fornita a una diagonale del ponte e un carico è collegato all'altro tramite il fusibile FU1. Il convertitore funziona così. Se la tensione della batteria di alimentazione è superiore a 10,5 V, il transistor VT1 si apre, il relè K1 viene attivato e attraverso i suoi contatti K1.1 la tensione di alimentazione viene fornita agli stabilizzatori di tensione sui microcircuiti DA1 e DA2. Quando la tensione della batteria scende al di sotto di 10,5 V, il transistor VT1 si chiude, i contatti K1.1 si aprono e interrompono l'alimentazione ai generatori, a seguito della quale tutti i transistor di commutazione VT6-VT9 vengono chiusi, il convertitore si spegne. La tensione di accensione è regolata da un resistore di sintonia R3. A causa del fatto che la tensione di accensione del relè elettromagnetico K1 è maggiore della tensione di spegnimento, la caratteristica del nodo sul transistor VT1 ha una piccola isteresi, sufficiente per l'uso pratico. La frequenza di oscillazione del generatore sugli elementi DD1.1 e DD1.2 dipende dalla resistenza dei resistori R1, R2 e dalla capacità del condensatore C1. Dalle uscite antifase del generatore (pin 3 e 4 del microcircuito DD1), gli impulsi vengono inviati ai nodi del ritardo dei fronti di impulso. Allo stesso tempo, le loro recessioni vengono trasmesse quasi senza indugio. Il tempo di ritardo del fronte è determinato dalle costanti di tempo dei circuiti R4C2 e R5C3, che devono essere le stesse. Le caratteristiche degli shaper hanno isteresi, il cui valore dipende dal rapporto tra le resistenze dei resistori dei circuiti di feedback positivo (PIC) R6 e R8, R7 e R9. Dalle uscite degli shaper, gli impulsi di controllo attraverso i follower di emettitore sui transistor VT2-VT5 vengono inviati alle porte dei transistor chiave VT6-VT9. Il raddrizzatore sui diodi VD6-VD9 e sui condensatori C7-C10 è realizzato con una quadruplicazione della tensione per il seguente motivo. È desiderabile avvolgere gli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore in uno strato per ridurre l'induttanza di dispersione. L'uso di un moltiplicatore di tensione consente di ridurre quattro volte il numero di spire nell'avvolgimento secondario e renderlo monostrato. La tensione dall'uscita del raddrizzatore viene fornita al divisore R10R11. Una tensione proporzionale ad essa dal motore del resistore di sintonia R11 viene alimentata all'ingresso del nodo sugli elementi DD2.1 e DD2.2 con un circuito PIC sui resistori R12 e R13, che crea una caratteristica di commutazione con isteresi. Dopo l'accensione, la tensione di uscita del raddrizzatore aumenta. Quando raggiunge la soglia di commutazione superiore (310 V), viene impostato un livello basso all'uscita dell'elemento DD2.1, collegato ai pin 9 dei microcircuiti DD1 e DD2, che impedisce il passaggio di impulsi ai follower dell'emettitore, poiché un risultato del quale tutti i transistor chiave sono chiusi. Successivamente, la tensione di uscita del raddrizzatore diminuisce a causa della scarica dei condensatori C9 e C10. Quando scende alla soglia di commutazione inferiore (300 V), viene impostato un livello alto all'uscita dell'elemento DD2.1, che consente nuovamente il passaggio di impulsi ai follower dell'emettitore, per cui la tensione di uscita del raddrizzatore aumenterà fino alla soglia superiore. Spostando il cursore del resistore di sintonia R11, è possibile regolare la tensione di uscita del raddrizzatore e selezionando il resistore R13, la differenza nelle soglie di commutazione. Aumentando la resistenza del resistore R13 lo si riduce e riducendolo lo si aumenta. I nodi del generatore a bassa frequenza (vedi Fig. 3) sono simili ai corrispondenti nodi di quello ad alta frequenza, ma la capacità dei condensatori di temporizzazione del generatore a bassa frequenza è maggiore, quindi i resistori R18 e R19 ad esso si aggiungono, che limitano la corrente di scarica dei condensatori C14 e C15, proteggendo le uscite del chip DD3 (pin 3 e 4 ) dal sovraccarico. Sul transistor VT10, elementi DD4.1, DD4.2 e resistori R25, R26, R29, è montata l'unità per proteggere il convertitore dai sovraccarichi. Quando la corrente di carico del convertitore supera il valore consentito, la tensione attraverso il resistore R33 - il sensore di corrente - aumenta a 0,7 V. In questo caso, il transistor VT10 si apre, viene impostato un livello basso all'uscita del DD4.2 elemento, che va ai pin 9 dei microcircuiti DD3 e DD4, di conseguenza è vietato il passaggio di impulsi ai follower di emettitore sui transistor VT11-VT14. Tutti i transistor chiave del ponte VT17-VT20 sono chiusi. L'interruttore-inverter a ponte a bassa frequenza (Fig. 4) funziona come segue. Durante la pausa tra gli impulsi, la tensione alle uscite dei suddetti seguaci dell'emettitore è zero, quindi i transistor VT16 e VT21 sono aperti e tutti gli altri sono chiusi. Quando un impulso arriva alle porte VT15 e VT20, questi transistor, così come VT17, si aprono. Quando un impulso arriva alle porte VT18 e VT22, questi transistor, così come VT19, si aprono. Di conseguenza, sull'uscita del ponte si formano impulsi di tensione bipolare rettangolari separati da pause con un intervallo di 620 V e un valore effettivo di 220 V. Poiché gli impulsi di controllo sono separati da pause, l'aspetto di una corrente passante attraverso la serie- sono esclusi i transistor a ponte collegati.
Alcune utenze richiedono una tensione di alimentazione AC sinusoidale. In questo caso, il gruppo generatore a bassa frequenza (vedi Fig. 3) viene sostituito da un altro, il cui circuito è mostrato in Fig. 5. Questa unità utilizza un generatore di tensione sinusoidale da 50 Hz sull'amplificatore operazionale DA4.1, un invertitore di fase sull'amplificatore operazionale DA4.2, due circuiti integrati R44C25 e R49C30, due follower di emettitore VT23 VT24, VT25 VT26 e due sommatori sui resistori R50R52R54 e R51R55R57.
La semionda positiva della tensione sinusoidale dall'uscita dell'OUDA4.1 attraverso il diodo VD21 viene alimentata al sommatore R51R55R57. La semionda positiva dall'uscita dell'invertitore di fase DA4.2 viene alimentata attraverso il diodo VD20 al sommatore R50R52R54. Dalle uscite dei sommatori, la tensione attraverso i resistori R53 e R56 viene alimentata all'ingresso dei formatori di impulsi DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2. Gli impulsi rettangolari vengono inviati agli ingressi dei circuiti integrati e gli impulsi a dente di sega vengono formati sui condensatori C25 e C30, che vengono alimentati attraverso i condensatori C26 e C31 agli ingressi di due formatori di impulsi. Diagrammi delle sollecitazioni in fig. 6 mostrano come gli impulsi agli ingressi degli shaper vengono sommati su un periodo di una frequenza di 50 Hz. Per visualizzare la forma degli impulsi, il duty cycle ad alta frequenza (27 kHz) viene esteso. Sulla fig. 6, a - tensione al pin 8 del microcircuito DD5; nella fig. 6b - al pin 8 del chip DD6. Di conseguenza, alle uscite degli shaper si formano sequenze di impulsi con una frequenza PWM sinusoidale di 50 Hz: in fig. 6, c - all'uscita di DD5,2; nella fig. 6,d - all'uscita di DD6.2. All'uscita del convertitore "~220 V" si forma un segnale PWM bipolare con un'oscillazione di 620 V, la cui forma è mostrata in fig. 6, d. Per sopprimere il componente con una frequenza di 27 kHz nella tensione di uscita, è necessario collegare un'induttanza in serie al carico e un condensatore in parallelo al carico. Questi elementi sono selezionati sperimentalmente per ogni carico. Ad esempio, un carico con una potenza di 100 W (la sua resistenza è di 484 ohm) richiede un filtro con un'induttanza di 0,13 H e un condensatore con una capacità di 0,56 microfarad. Con una diversa resistenza di carico, l'induttanza dell'induttore viene ricalcolata in proporzione diretta e la capacità del condensatore è inversamente proporzionale alla resistenza di carico. Tutte le parti del trasduttore sono alloggiate in un alloggiamento in lamiera di alluminio. I transistor VT6-VT9, VT17-VT20 sono fissati sulla custodia mediante pasta termoconduttiva e guarnizioni in mica. I transistor IRFIZ44N (VT15 e VT22) sono installati senza guarnizioni, poiché le loro custodie sono completamente isolate. Possono essere sostituiti con IRFZ44N, ma devono essere installati tramite distanziatori in mica.
La ventola dell'alimentatore del computer con un motore elettrico M1 da 3 W soffia costantemente aria attraverso il case per raffreddare le parti. Per ridurre il consumo di energia con carichi a bassa potenza, il ventilatore può essere spento tramite l'interruttore SA1. Il trasformatore T1 è avvolto su quattro nuclei magnetici impilati insieme da un trasformatore orizzontale TVS-110, come mostrato in fig. 7. I numeri indicano: 1 - filo di avvolgimento; 2 - circuito magnetico; 3 - un morsetto che stringe il circuito magnetico. Gli avvolgimenti primari (I e II) contengono quattro sezioni di tre spire di filo da 5 mm2 (due fili di installazione da 2,5 mm2 messi insieme). L'avvolgimento secondario (III) contiene due sezioni di 11 spire di filo di montaggio con una sezione trasversale di 1,5 mm2. Le spire degli avvolgimenti devono essere distribuite uniformemente lungo la lunghezza del circuito magnetico e gli avvolgimenti devono essere a strato singolo. I restanti elementi sono montati su due schede separate mediante montaggio superficiale. La scheda con gli elementi mostrati in fig. 1 si trova in prossimità dei transistor chiave (vedi Fig. 2). La scheda con gli elementi mostrati in fig. 3, - accanto ai transistor dell'interruttore-inverter a bassa frequenza del ponte (vedi Fig. 4). Il condensatore C6 è desiderabile per utilizzare un ossido importato dalla categoria "Low ESR", ad esempio Jamicon WL o simile. Altrimenti, si surriscalda. I condensatori raddrizzatori C7-C10 devono avere una potenza reattiva consentita sufficientemente grande. Il dispositivo utilizza condensatori MBGCH. In parallelo a ciascuno di essi, è collegato un condensatore ceramico non induttivo KM-3 del gruppo H30 con una capacità di 0,022 μF e una tensione nominale di 250 V. Resistenze trimmer - della serie SP3-1b. Prima di installarli, è necessario verificare la funzionalità del sistema di contatto mobile. Il relè K1 deve avere una tensione di risposta non superiore a 10 V. L'autore ha utilizzato il relè RES59 (versione HP4.500.020). Durante l'installazione, invece di una batteria, viene utilizzato un alimentatore da laboratorio con una tensione di uscita regolabile di 10.13 V. Una tensione di 10,5 V viene applicata all'ingresso del convertitore, il resistore R3 viene utilizzato per disattivare il relè K1. Quindi la tensione di ingresso viene aumentata a 12 V. Selezionando i resistori R1 e R2 (vedi Fig. 1), la stessa durata dell'impulso viene impostata su 18,5 μs sui pin 3 e 4 del microcircuito DD1. Selezionando i resistori R4 e R5, la durata della pausa tra questi impulsi è di 5 μs. Il motore del resistore di sintonizzazione R11 - tensione +305 V con una potenza di carico di 60 W all'uscita del raddrizzatore VD6-VD9C7-C10 (vedi Fig. 2). La selezione dei resistori R16 e R17 (Fig. 3) imposta la stessa durata dell'impulso di 10 ms sui pin 3 e 4 del microcircuito DD3. La selezione dei resistori R20 e R21 - la durata della pausa tra questi impulsi è di 6 ms. Il blocco, il cui schema è mostrato in fig. 5, regolati così. Spostare il resistore trimmer R39 lungo il circuito in modo che il generatore sull'amplificatore operazionale DA4.1 smetta di funzionare. Selezionando i condensatori C25 e C30, l'oscillazione della tensione a dente di sega attraverso di essi viene impostata a 4 V. I resistori fissi R52 e R55 vengono temporaneamente sostituiti con trimmer da 15 kOhm, inclusi come reostati. Innanzitutto, la loro resistenza viene gradualmente ridotta dal massimo fino a quando non compaiono impulsi all'uscita dei seguaci dell'emettitore, quindi vengono aumentati fino a scomparire. Misurare la resistenza della parte inserita dei resistori di sintonia con un ohmmetro digitale e sostituirli con costanti della stessa resistenza. Successivamente, il motore del resistore di sintonizzazione R39 viene spostato lungo il circuito, impostando un'ampiezza di tensione di 4 V all'uscita del generatore.In questo caso, la tensione di uscita dovrebbe essere sotto forma di una sinusoide leggermente troncata. Se necessario, selezionando i condensatori C18 e C22, è necessario impostare la frequenza di generazione a 50 Hz. Quindi, selezionando i resistori R50 e R51, l'ampiezza della semionda è di 4 V attraverso i resistori R54 e R57. Per migliorare il funzionamento del generatore sull'amplificatore operazionale DA4.1, potrebbe essere necessario accendere un condensatore da 47 pF tra l'uscita destra del resistore R40 in base al circuito e il filo comune. Le fonti di alimentazione del convertitore possono essere batterie di avviamento per auto, rete di bordo auto, batterie di trazione per veicoli elettrici, pannelli solari, generatori di energia eolica o idrica. Se necessario, la tensione di alimentazione può essere raddoppiata. Per fare ciò, gli avvolgimenti primari (I e II) del trasformatore T1 devono contenere quattro sezioni di sei spire di un filo di montaggio con una sezione trasversale di 2,5 mm2. L'autore utilizza un generatore di gas autocostruito ricavato da una motosega degli Urali e un generatore elettrico con una tensione di uscita di 12 V e una potenza di 1 kW da un trattore T-150, che sono interconnessi da una trasmissione a cinghia trapezoidale. In termini di rapporto potenza/peso, questo generatore di gas supera molti progetti industriali. Leggerezza e dimensioni consentono di portarla in viaggio e, se necessario, ricaricare la batteria dell'auto sul campo. Un convertitore di tensione alimenta qualsiasi apparecchiatura con una potenza fino a 1 kW. Letteratura
Autore: A. Sergeev
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