Зарядное устройство на полевом инверторе

Обратноходовые преобразователи тока – инверторы состоят из мощного коммутатора импульсов с периодом, равным сумме открытого и закрытого состояния [1]. В отличие от двухтактного преобразователя в них меньше радиокомпонентов, стабилизация режима работы выполняется оптоэлектронными обратными связями с цепей выходного напряжения на вход управления генератором, с изменением скважности импульса - широтноимпульсного преобразования сигнала управления.

 Регулировка выходного напряжения преобразователя - ручная или автоматическая. Высокочастотные трансформаторы преобразователя реализованы на ферритовых сердечниках.
Мощность преобразователей зависит от напряжения питания, частоты преобразования и магнитных свойств трансформатора.
Использование в качестве ключа полевого транзистора позволяет снизить потери сигнала на управление.
Ток, потребляемый первичной обмоткой трансформатора Т1, содержит прямоугольную составляющую, вызванную передачей энергии в нагрузку, и треугольную составляющую, связанную с намагничиванием материала магнито-провода.
Процессы накопления энергии и передачи ее в нагрузку в обратно-ходовых преобразователях четко разделены [2]. В цепи стабилизации напряжения заряда аккумуляторов используется частотно-импульсное преобразование сигнала ошибки в изменение выходного напряжения на нагрузке. Схема сравнения представляет вход внешнего воздействия (модификации) на точку контрольного напряжения генератора инвертора. Использование данного вывода позволяет менять его уровень для получения модификаций схемы. С увеличением напряжения длительность импульсов на затворе силового ключа уменьшается, а, следовательно, снижается время пребывания ключевого транзистора в открытом состоянии. Напряжение на вторичных обмотках трансформатора также уменьшается и происходит стабилизация вторичного напряжения инвертора. Регулирование тока заряда выполняется широтно-импульсным изменением длительности импульса генератора при неизменной частоте. Диапазон регулировки скважности импульсов зависит от соотношения сопротивления резисторов регулятора тока заряда. В инверторе происходит тройное преобразование напряжения. Переменное напряжение электросети выпрямляется мощным диодным мостом и преобразуется инвертором в высокочастотное напряжение, которое через трансформатор подается, после выпрямления, в нагрузку.
Накопление энергии и ее передача в нагрузку разнесены во времени, максимальный ток коллектора ключевого транзистора не зависит от тока нагрузки.

Структура принципиальной схемы
В схему однотактного широтно-импульсного преобразователя (рис. 1) входит: генератор импульсов на аналоговом таймере DA1 с широтно-импульсным регулятором тока нагрузки R1, силовой ключ на полевом транзисторе VT1 с внешними цепями защиты от коммутационных помех, цепи защиты от повышения напряжения на нагрузке с гальваническим разделением цепей высокого и низкого напряжения оптопарой DA3, цепи защиты полевого транзистора от превышения токов коммутации на аналоговом стабилизаторе напряжения параллельного типа DA2, сетевого выпрямителя с ограничением пусковых токов заряда конденсатора фильтра и ограничением импульсных помех.

Описание работы элементов схемы
Генератор прямоугольных импульсов выполнен на аналоговом таймере DA1. В состав микросхемы входят: два компаратора, внутренний триггер, выходной усилитель для повышения нагрузочной способности, ключевой разрядный транзистор с открытым коллектором. Частота генерации задается внешней RC-цепью. Схемой предусмотрен вариант регулировки скважности импульсов при неизменной частоте.
Компараторы переключают внутренний триггер при достижении уровня порогового напряжения на конденсаторе С2 в 1/3 и 2/3 Un.
Вывод таймера 4 DA1 - вход сброса, используется для возвращения выхода 3 DA1 в нулевое состояние, независимо от состояния других входов, в данной схеме не используется.
Вывод 5 DA1 - вывод контрольного напряжения, позволяет получить прямой доступ к точке делителя верхнего компаратора. В схеме используется для получения модификаций режима генерации прямоугольных импульсов, с целью стабилизации выходного напряжения.
Вывод 7 DA1 соединен с внутренним разрядным транзистором аналогового таймера и используется для разряда внутренней емкости Сз-и полевого транзистора VT1. влияющую на скорость запирания.
Инвертор напряжения состоит из мощного ключевого транзистора VT1 и трансформатора Т1. Для защиты транзистора от пробоя импульсными токами и напряжениями, возникающими во время процесса преобразования, транзистор и трансформатор "обвязаны" диодно-резисторно-конденсаторными цепями.
Превышение уровня напряжения на резисторе R10 цепи истока дополнительно приводит к открытию параллельного стабилизатора DA2 и шунтирование затвора транзистора при перегрузках.
Трансформатор в инверторе заводского исполнения, от устаревших блоков питания компьютера. Трансформатор выбирается исходя из необходимой габаритной мощности, которая равна сумме мощности всех нагрузок.
Формулы по расчету сечения стержня и количества витков обмоток можно взять из [3]. Сложность не в расчете, а в отсутствии соответствующего феррита и размеров, разобрать и перемотать заводской трансформатор без поломки феррита не удалось. Количество витков и их сечение практически подходит под расчеты. При токе нагрузки в 10 А и напряжении вторичной обмотки на холостом ходу не менее 18 В подходят трансформаторы на 250 Вт с площадью окна 15 мм2 и сердечником около 10 мм2. Зазор в таких трансформаторах состоит из тонкого слоя клея, то есть практически отсутствует, да и его введение, из-за снижения магнитной проницаемости, потребует увеличения витков обмоток почти вдвое.
Однотактные преобразователи применяются в маломощных источниках тока, когда нагрузка носит изменяющийся характер, что вполне подходит в данной ситуации.
Большую роль в максимальной мощности устройства играет частота преобразования инвертора, при росте ее в десять раз мощность трансформатора, без изменения феррита и обмоток, возрастает почти в четыре раза.
При конструировании зарядного устройства следует придерживаться рабочей частоты трансформатора с учетом характеристики транзисторного ключа. Заводское исполнение трансформаторов имеет расположение первичных и вторичных обмоток слоями, для обеспечения хорошей магнитной связи и снижения индуктивности рассеивания, дополнительно между секциями обмоток проложены электростатические экраны из бронзовой меди.
Обмотки высокочастотных трансформаторов выполняются многожильным проводом для снижения "поверхностного" эффекта.
Разбирать единственный трансформатор для уточнения расположения и количества витков не следует, потому как собрать грамотно в обратное состояние не удастся. Лучше поэкспериментировать без разборки, а обкатка схемы даст немалый опыт. Перед включением любой наспех собранной схемы, оденьте бронебойные очки или включите последовательно в сеть лампочку 220 В, предохранители в фильтрах питания при случайном коротком замыкании в любой схеме взрываются с выбросом всего, из чего они состоят. Даже заводская сборка схем преобразователей часто приводит к пробою рабочего транзистора и возможному возгоранию устройств.
Причины адекватны: занижены параметры транзистора или импульсные помехи от бытовых электроприборов превышают возможности фильтров.
Цепи снижения помех преобразователя. Неприятности в работе полевого транзистора возникают от действия межэлектродных проходных емкостей, при запирании транзистора они затягивают переходные процессы. Включение транзистора происходит подачей прямоугольного импульса с выхода 3 генератора таймера DA1 через резистор R5 на затвор, отключение -низким уровнем на выводе7 DA1. Прямое подключение затвора к таймеру, без резистора R5, приведет к критическому импульсу входного тока, который может перегрузить не только микросхему таймера, но и пробить электростатический переход между затвором и цепью сток-исток (в литературе рекомендуется пайку полевых транзисторов выполнять отключенным паяльником и при закороченных выводах транзистора, от возможного пробоя статическим электричеством).
Отсутствие резистора R7 в схеме также нежелательно, он снижает входное напряжение на затворе и разряжает входную емкость транзистора с небольшим запирающим потенциалом на резисторе R10.
Для ускорения разряда внутренней емкости полевого транзистора в обход резистора затвора устанавливают диод обратным включением, в данной схеме аналогового таймера вместо внешнего разрядного диода используется разрядный транзистор таймера, открытие которого происходит с переключением состояния внутреннего триггера, при нулевом напряжении на выходе 3 DA1.
Транзистор крепится на радиатор размерами 50*50*10 мм.
Дроссель Т2 представляет собой обмотку из десяти витков медного провода ПЭВ сечением 4x0,5 мм с ферритовым стержнем диаметром 4 мм.
Трансформатор Т1 использован от блоков питания АТ/АТХ типа R320. АР-420Х, первичная обмотка содержит 38-42 витка провода диаметром 0,8 мм, вторичная -2x7,5 витков сечением 4x0,31 мм -установленной мощности 250 Вт.
Цепи питания инвертора выполнены на импульсном диодном мосте
VD8 с повышенными нагрузочными характеристиками и конденсаторе фильтра С5.
Питание инвертора происходит непосредственно от сети, без гальванической развязки.
Колебания напряжения сети компенсируются цепями отрицательной обратной связи с гальваническим разделением вторичного и первичного, опасного для жизни, напряжения.
Заряд конденсатора фильтра ограничен резистором RT1, это защищает диодный мост VD8 от повреждения критическими токами. Импульсный ток через полевой транзистор инвертора ограничен резистором R14.
Цепи заряда аккумулятора. К ним относится выпрямитель на высокочастотной диодной сборке VD7. Для выравнивания тока заряда в фильтр входят конденсаторы С9, С11 и дроссель на трансформаторе Т2. В отсутствии выпрямленного напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т1, при прямом ходе тока инвертора, напряжение на нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в дросселе трансформатора Т2 и конденсаторе фильтра. При закрытии ключа энергия, накопленная в трансформаторе Т1, передается во вторичную обмотку и накапливается в конденсаторах фильтра и дросселе для последующей передачи в нагрузку.
Контроль тока нагрузки выполнен на гальванометре РА1 с внутренним шунтом на 10 А.
Возможные помехи, сопровождающие переключение диода VD7, устраняются конденсатором С11.
Цепи стабилизации по напряжению. Постоянное выходное напряжение преобразователя необходимо сравнивать с образцовым напряжением и вырабатывать напряжение ошибки рассогласования. Цепь стабилизации по напряжению состоит из моста на резисторах RK1, R9 и диода оптопары DA3. Повышение напряжения на выходе выпрямителя приводит к проводящему состоянию диода оптопары, который открывает транзистор оптопары с коэффициентом усиления, зависящем от примененного элемента.
Изменение (уменьшение) напряжения на выводе 5 таймера DA1 приводит к изменению частоты выходных импульсов в сторону увеличения, при этом скважность импульсов не изменяется.
Длительность выходного импульса сокращается. Это приведет к уменьшению среднего тока зарядки.
С понижением выходного напряжения происходит обратный процесс.
Конденсатор СЗ устраняет влияние импульсных помех преобразователя на работу генератора. Терморезистор RK1 в цепи стабилизации выходного напряжения при нагреве позволяет воздействовать на выходное напряжение в сторону снижения, терморезистор типа ММТ-1 крепится через изоляционную прокладку на радиатор транзистора.
Цепи стабилизации по току. Стабилизация по току выполнена на аналоге параллельного стабилизатора-таймере DA2. Повышение тока в цепи сток-исток полевого транзистора приводит к падению напряжения на резисторе R10 в цепи истока VT1, которое через резистор R8 поступает на управляющий электрод 1 DA2 аналогового стабилизатора. При пороге напряжения на входе стабилизатора выше 2,5 В таймер DA2 открывается и шунтирует затвор полевого транзистора подачей отрицательного, относительно затвора, напряжения, процесс накопления энергии в трансформаторе прервется. Значение ограниченного тока будет меньше максимально допустимого, что не приведет к повреждению ключевого транзистора. Транзистор закрывается независимо от состояния выхода генератора, ток в цепи истока прекращается.

Порядок сборки
Плата инвертора размером 110x65 мм (рис. 2) в сборе крепится в подходящем по размерам корпусе типа БП-1, на внешней стороне которого крепятся гальванометр, выключатель, предохранитель. Соединение устройства с аккумулятором выполнено многожильным проводом сечением 2 мм. Технологии зарядки и восстановления аккумуляторов см. подробно в [4, 5].

Регулировка схемы
Подключение устройства к сети следует выполнить через ограничитель в виде сетевой лампочки. Налаживание начинают с проверки напряжений питания микросхемы генератора и транзистора инвертора. Наличие прямоугольных импульсов на выходе 3 DA1 укажет светодиодный индикатор HL1. Вместо нагрузки следует подключить лампочку 12/24 В от автомобиля, свечение лампочки укажет на процесс преобразования тока в инверторе, слабый накал сетевой лампочки подтверждает нормальную работу преобразователя, при слабой нагрузке ток в первичной обмотке не должен превышать 200 мА.
Уровень вторичного напряжения предварительно устанавливается подстроечным резистором R9 при среднем положении движка резистора R1.
Ток заряда зависит от скважности импульса генератора, состояние которого зависит от положения движка резистора R1.
В правом положении движка время заряда конденсатора С2 минимальное, а разряда - максимальное, импульс, поступающий на ключевой транзистор VT1, очень короткий, и средний ток в нагрузке минимальный. В правом положении движка длительность импульса максимальная, как и ток заряда аккумулятора.
Через непродолжительное время включения необходимо проверить тепловой режим радиокомпонентов.
Ввиду невозможности изменения параметров трансформатора, требуемые параметры источника питания можно отрегулировать только изменением частоты генератора (конденсатор С2), скважности импульсов R1, выводов вторичной обмотки трансформатора или полной заменой трансформатора.
По окончанию регулировочных работ и прогонке схемы по времени сетевую и нагрузочную лампочки удаляют, схему восстанавливают и включают под зарядку аккумуляторов.
Следует обратить внимание на режим работы цепей обратных связей по току и напряжению.

Владимир Коновалов,
Евгений Цуркан
г. Иркутск-43, а/я 380

Радиолюбитель 2009 №11

Литература
1. В. Косенко и др. Обратноходовой импульсный ИП. - Радио, №1, 2000, с. 42.
2. С. Косенко. Особенности работы индуктивных элементов в одно-тактных преобразователях. - Радио, №7, 2005, с. 30.
3. А. Петров. Индуктивности, дроссели, трансформаторы. - Радиолюбитель, №1, 1996, с. 13.
4. В. Коновалов. Автомобили и аккумуляторы. - Методическое пособие центра ДТТ. 2009 г., 70 стр.
5. В. Коновалов. Зарядные устройства. - Методическое пособие центра ДТТ. 2009 г., 70 стр.