Преобразователь 12 В / 220 В

С. Ю. Стебенев, г. Луганск

Идея родилась после рассказа моего знакомого. Приятный летний месяц, компания из четырех человек отправляется в автомобиле на пятидневный отдых — рыбалку. Жить предполагается в палатке на красивом берегу реки. Утром четвертого дня разрядился мобильный телефон, последний из трех имеющихся. Оставшиеся дни пришлось отдыхать без связи. Собираясь на отдых, никто и не подумал, чем в палатке будет заряжать мобильник.

Решение появилось в ближайшее воскресение, после похода на радиорынок. Пообщавшись с продавцами мобильных телефонов, удалось выяснить два момента. Во-первых, адаптеров для зарядки телефонов от автомобильной сети в продаже много, стоят 1,5~2,5 евро, подключаются через гнезда прикуривателя или к панели предохранителей, но для розных моделей телефонов. Универсальных адаптеров не бывает: в розных телефонах используются или разные разъемы, или отличается распайка в одинаковых разъемах. Во-вторых, все штатные сетевые зарядные устройства, не считая разъема для подключения к ним телефона, внешне очень похожи. Размеры и вес этих зарядных устройств подсказывают, что это импульсные источники питания (инверторы). Уже дома рассмотрел надписи на зарядном устройстве от своего телефона: «Сетевой адаптер, модель TAD037EBE для телефона SAMSUNG С100, при входном напряжении 100...240 В на выходе обеспе-чивает 5 В при токе 0,7 А». Корпус склеен, поэтому, что находится внутри, посмотреть не удалось. Раз это сетевой инвер-торный источник питания, значит, но входе у него сетевой выпрямитель — диодный мост, поэтому его можно запитать как переменным напряжением, так и постоянным, причем произвольной полярности.

Итак, необходимо изготовить преобразователь из «автомобильных» 12...13 В в постоянное напряжение 200 В, тогда к этому преобразователю (иначе, DC/DC-конвертору) можно будет подключать сетевые штатные зарядные устройства от любых мобильных телефонов. Предварительные расчеты показали, что с учетом потерь от двух преобразований общий КПД системы составит около 65% (если считать КПД каждого из устройств по 80%, что является типовым для импульсных преобразователей малой мощности).
Преобразователь 12 В/200 В должен на своем выходе обеспечить мощность около 4,4 Вт, при Uвых=200 В ток нагрузки составит 22 мА. От аккумулятора будет потребляться мощность 5,5 Вт, при 12 В - 0,46 А. Но эти технические данные и была рассчитана предлагаемая схема (рис.1). TL494 -универсальный ШИМ-контроллер для любых импульсных преобразовательных схем. Ничего особенного в данной схеме нет, напротив, от типовой «обвязки» микросхемы осталось всего три детали, без которых обойтись невозможно. На выводах 9, 10 — парафазные импульсы частотой около 25 кГц. Частота выбрана по максимальной паспортной частоте КЦ407А, задана частота номиналами R1, C3. Между импуль-сfми на выводах 9, 10 имеется пауза в 2 мкс (называется dead time). Эта пауза формируется за счет схемотехники в самом контроллере. Конвертор получился нерегулируемым, все управляющие входы при данной схеме включения не задействованы. На транзисторах собраны выходные ключи. Трансформатор повышает напряжение до заданного расчетного. Выпрямительный мост переменное напряжение преобразовывает в однополярное пульсирующее. Резистор R6 при отключенной нагрузке уменьшает паразитные всплески напряжения на коллекторах ключевых транзисторов по фронтам и спадам импульсов (поставлен на всякий случай).

Конструкция и детали
Все устройство собрано на печатной плате размерами 40x60 мм (рис.2), внешний вид показан на фотографии в на-чале статьи. Выходной трансформатор рассчитывался по [1]. Данные получились такими: сердечник 2 кольца К20х12х6 феррит 2000-НМ1, повышающая обмотка 180 витков проводом ПЭЛШО 0,12 (наматывается первой), первичная обмотка 13 витков сложенным вдвое проводом ПЭЛ 0,6. Если кто-то решит пересчитать трансформатор и получит другие донные, не удивляйтесь. С данным сердечником на выбранной частоте можно получить мощность около 25...30 Вт (для данной схемы достаточно одного ферритового кольца). Сечение сердечника увеличено для того, чтобы в два роза уменьшить количество витков в обмотках (впоследствии избыток мощности пригодился).
Настройки схема не требует. Можно проверить качество намотанного трансформатора. При подаче входного питающего напряжения 12 В ток потребления на «холостом ходу» с подключенным резистором R6 должен быть 40...45 мА, напряжение на выходе — 200 В Если это так, значит, все получилось. Если же ток «холостого хода» больше, проверьте частоту с помощью осциллографа на выводе 9 или 10 (период колебаний 40 мкс). Если все сошлось, то причина в трансформаторе: замыкание витков, не тот материал сердечника.
В рабочем режиме с подключенным зарядным устройством и телефоном потребляемый от сети 12 В ток составляет 300...400 мА (при разряженном в телефоне аккумуляторе ток больше), напряжение на выходе конвертора при этом режиме -160...170 В.
Когда были проверены телефоны всех знакомых, и оказалось, что конвертор работает со всеми зарядными устройствами  к ним, захотелось проверить его с чем-то еще. Выбор был небогатым, все-таки мощность преобразователя ограничена. От конвертора хорошо запускались и нормально работали современные энергосберегающие люминесцентные лампы мощностью до 11 Вт включительно. При работе с лампой мощностью 11 Вт потребляемый от сети 12 В ток составил 0,65 А. Напряжение но выходе при такой нагрузке падает до 140 В. Работает и электробритва «Харьков», конечно, хуже чем от 220 В, но побриться можно. Ток потребления составляет 0,8 А, напряжение - 130 В. При подключении электробритвы начали греться транзисторы (не сильно, но при других нагрузках они были холодными). Для тех, кому это функция покажется необходимой, рекомендую выбрать другие транзисторы, обращая внимание но такой параметр, как напряжение коллектор-эмиттер в насыщенном состоянии (чтобы на транзисторе было меньше потерь, это напряжение должно быть минимальным). В этих экспериментах пригодилась «сверхплановая мощность» выходного трансформатора.
К автомобильной сети конвертер можно подсоединить через выключатель питания. Почти в любом автомобиле имеются незадействованные с завода (например, для противотуманных фар, или обогрева заднего стекла, когда нагревательного элемента нет) выключатели. Если такой вариант не подходит, придется взять 12 В с гнезда прикуривателя или гнездо аварийной переносной лампы.
Стоимость данного конвертора по деталям составила 1 евро.

Литература
1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионолов. - М.: СОЛОН-Р, 2001. - С.37.