Для перетворення напруги одного рівня на напругу іншого рівня часто застосовують імпульсні перетворювачі напругиз використанням індуктивних накопичувачів енергії. Такі перетворювачі відрізняються високим ККД, що іноді досягає 95%, і володіють можливістю отримання підвищеної, зниженої або інвертованої вихідної напруги.

Відповідно до цього відомо три типи схем перетворювачів: знижувальні (рис. 4.1), що підвищують (рис. 4.2) та інвертують (рис. 4.3).

Спільними для всіх цих видів перетворювачів є п'ять елементів: джерело живлення, ключовий елемент, що комутує, індуктивний накопичувач енергії (котушка індуктивності, дросель), блокувальний діод і конденсатор фільтра, включений паралельно опору навантаження.

Включення цих п'яти елементів у різних поєднаннях дозволяє реалізувати будь-який із трьох типів імпульсних перетворювачів.

Регулювання рівня вихідної напруги перетворювача здійснюється зміною ширини імпульсів, керуючих роботою ключового елемента, що комутує, і, відповідно, що запасається в індуктивному накопичувачі енергії.

Стабілізація вихідної напруги реалізується шляхом використання зворотного зв'язку: при зміні вихідної напруги відбувається автоматична зміна ширини імпульсів.

Знижувальний перетворювач (рис. 4.1) містить послідовно включений ланцюжок з комутуючого елемента S1, індуктивного накопичувача енергії L1, опору навантаження Rн і включеного конденсатора паралельно йому фільтра С1 . Блокувальний діод VD1 підключений між точкою з'єднання ключа S1 ​​з накопичувачем енергії L1 та загальним дротом.

Рис. 4.1. Принцип дії знижувального перетворювача напруги

Рис. 4.2. Принцип дії підвищуючого перетворювача напруги

При відкритому ключі діод закритий, енергія джерела живлення накопичується в індуктивному накопичувачі енергії. Після того, як ключ S1 буде закритий (розімкнутий), запасена індуктивним накопичувачем L1 енергія через діод VD1 передається в опір навантаження R н. Конденсатор С1 згладжує пульсацію напруги.

Підвищує імпульсний перетворювач напруги (рис. 4.2) виконаний на тих же основних елементах, але має інше їх поєднання: до джерела живлення підключений послідовний ланцюжок з індуктивного накопичувача енергії L1, діода VD1 та опору навантаження з паралельно підключеним конденсатором фільтра С1. Комутуючий елемент S1 включений між точкою з'єднання накопичувача енергії L1 з діодом VD1 та загальною шиною.

При відкритому ключі струм джерела живлення протікає через котушку індуктивності, в якій запасається енергія. Діод VD1 при цьому закритий, ланцюг навантаження відключений від джерела живлення, ключа та накопичувача енергії. Напруга на опорі навантаження підтримується завдяки запасеної на конденсаторі фільтра енергії. При розмиканні ключа ЕРС самоіндукції підсумовується напругою живлення, запасена енергія передається у навантаження через відкритий діод VD1. Отримана у такий спосіб вихідна напруга перевищує напругу живлення.

Рис. 4.3. Імпульсне перетворення напруги з інвертуванням

Інвертуючий перетворювач імпульсного типу містить все те ж поєднання основних елементів, але знову в іншому їх з'єднанні (рис. 4.3): до джерела живлення підключений послідовний ланцюжок з комутованого елемента S1, діода VD1 і опору навантаження R н з конденсатором фільтра С1. Індуктивний накопичувач енергії L1 включений між точкою з'єднання елемента комутування S1 з діодом VD1 і загальною шиною.

Працює перетворювач так: при замиканні ключа енергія запасається в індуктивному накопичувачі. Діод VD1 закритий і не пропускає струм від джерела живлення у навантаження. При відключенні ключа ЕРС самоіндукції накопичувача енергії виявляється прикладеною до випрямляча, що містить діод VD1, опір навантаження R і конденсатор фільтра С1. Оскільки діод випрямляча пропускає у навантаження тільки імпульси негативної напруги, на виході пристрою формується напруга негативного знака (інверсне, протилежне за знаком напруги живлення).

Для стабілізації вихідної напруги імпульсних стабілізаторівбудь-якого типу можуть бути використані звичайні лінійні стабілізатори, але вони мають низький ККД. У зв'язку з цим набагато логічніше для стабілізації вихідної напруги імпульсних перетворювачів використовувати імпульсні стабілізатори напруги, тим більше, що здійснити таку стабілізацію зовсім нескладно.

Імпульсні стабілізатори напруги, у свою чергу, поділяються на стабілізатори з широтно-імпульсною модуляцієюі на стабілізатори з частотно-імпульсною модуляцією. У перших їх змінюється тривалість управляючих імпульсів при постійної частоті їх прямування. По-друге, навпаки, змінюється частота управляючих імпульсів за її постійної тривалості. Зустрічаються імпульсні стабілізатори і зі змішаним регулюванням.

Нижче буде розглянуто радіоаматорські приклади еволюційного розвитку імпульсних перетворювачів та стабілізаторів напруги.

Задає генератор (рис. 4.4) імпульсних перетворювачів з нестабілізованою вихідною напругою (рис. 4.5, 4.6) на мікросхемі КР1006ВІ1 (NE 555) працює на частоті 65 кГц. Вихідні прямокутні імпульси генератора через RC-ланцюжки подаються на ключові транзисторні елементи, включені паралельно.

Котушка індуктивності L1 виконана на феритовому кільці із зовнішнім діаметром 10 мм та магнітною проникністю 2000. Її індуктивність дорівнює 0,6 мГн. Коефіцієнт корисної діїперетворювача досягає 82%. Амплітуда пульсацій на виході не перевищує 42 мВ і залежить від величини ємності

Рис. 4.4. Схема генератора, що задає, для імпульсних перетворювачів напруги.

Рис. 4.5. Схема силової частини підвищує імпульсного перетворювача напруги +5/12 В

Рис. 4.6. Схема імпульсного перетворювача напруги, що інвертує +5/-12 В

конденсаторів на виході пристрою Максимальний струм навантаження пристроїв (рис. 4.5, 4.6) становить 140 мА.

У випрямлячі перетворювача (рис. 4.5, 4.6) використано паралельне з'єднанняслаботочних високочастотних діодів, послідовно включених з вирівнювальними резисторами R1 - R3. Вся ця збірка може бути замінена одним сучасним діодом, розрахованим на струм більше 200 мА при частоті до 100 кГц і зворотній напрузі не менше 30 (наприклад, КД204, КД226). Як VT1 і VT2 можливе використання транзисторів типу КТ81х: структури n-р-n- КТ815, КТ817 (рис. 4.5) та р-n-р - КТ814, КТ816 (рис. 4.6) та інші. Для підвищення надійності роботи перетворювача рекомендується включити паралельно переходу емітер - колектор транзистори діод типу КД204, КД226 таким чином, щоб для постійного струму він був закритий.

Проте, ціна такого пристрою середньої потужності(300-500 Вт) становить кілька тисяч карбованців, а надійність багатьох китайських інверторів досить спірна. Виготовлення своїми руками простого перетворювача– це не лише спосіб відчутно заощадити, а й можливість покращити свої знання в електроніці. У разі відмови ремонт саморобної схеми виявиться відчутно простіше.

Поширені схеми

Простий імпульсний перетворювач

Схема цього пристрою дуже проста, а більшість деталей може бути витягнуті з непотрібного . Звичайно, у неї є і відчутний недолік - напруга 220 вольт, що отримується на виході трансформатора далеко за формою від синусоїдального і має частоту значно більше, ніж прийняті 50 Гц. Безпосередньо підключати до нього електродвигуни або чутливу електроніку не можна.

Для того, щоб мати можливість підключати до цього інвертора, що містить імпульсні блокиживлення техніку (наприклад, блок живлення ноутбука), застосовано цікаве рішення – на виході трансформатора встановлений випрямляч із конденсаторами, що згладжують.. Правда, працювати підключений адаптер зможе тільки в одному положенні розетки, коли полярність вихідної напруги збігатиметься з напрямком вбудованого в адаптер випрямляча. Прості споживачі типу ламп розжарювання чи паяльника можна підключати безпосередньо до виходу трансформатора TR1.

Основа наведеної схеми – це ШІМ-контролер TL494, найпоширеніший у таких пристроях. Частоту роботи перетворювача задають резистор R1 і конденсатор C2, їх номінали можна брати дещо різними від зазначених без помітної зміни у роботі схеми.

Для більшої ефективності схема перетворювача включає два плеча на силових польових транзисторах Q1 і Q2. Ці транзистори потрібно розмістити на алюмінієвих радіаторах, якщо передбачається використовувати загальний радіатор – встановлюйте транзистори через ізоляційні прокладки. Замість IRFZ44 можна використовувати близькі за параметрами IRFZ46 або IRFZ48.

Вихідний дросель намотується на феритовому кільці від дроселя, що також витягується з . Первинна обмотка мотається дротом діаметром 0,6 мм і має 10 витків з відведенням від середини. Поверх її намотується вторинна обмотка, що містить 80 витків. Також можна взяти вихідний трансформатор із зламаного джерела безперебійного живлення.

Замість високочастотних діодів D1 та D2 можна взяти діоди типів FR107, FR207.

Так як схема дуже проста, після включення при правильному монтажі вона почне працювати відразу і не вимагатиме ніякого налаштування. Віддавати в навантаження вона зможе струм до 2,5 А, але оптимальним режимом роботи струм не більше 1,5 А - а це більше 300 Вт потужності.

Готовий інвертор такої потужності коштував би близько трьох-чотирьох тисяч рублів.

Ця схема виконана на вітчизняних комплектуючих і досить стара, але це робить її менш ефективною. Головна її перевага - це отримання на виході повноцінного змінного струму з напругою 220 вольт і частотою 50 Гц.

Тут генератор коливань виконаний на мікросхемі К561ТМ2, що є здвоєним D-тригер. Вона є повним аналогом зарубіжної мікросхеми CD4013 і може бути замінена без змін у схемі.

Перетворювач також має два силові плечі на біполярних транзисторах КТ827А. Їх головний недолік у порівнянні з сучасними польовими – це більший опір у відкритому стані, через що нагрівання при тій же потужності, що комутується, у них сильніше.

Так як перетворювач працює на низькій частоті, трансформатор повинен мати потужний сталевий сердечник. Автор схеми пропонує використовувати найпоширеніший радянський мережевий трансформатор ТС-180.

Як і інші інвертори на основі простих ШІМ-схем, цей перетворювач має на виході досить відмінну від синусоїдальної форму напруги, але це дещо згладжується великою індуктивністю обмоток трансформатора та вихідним конденсатором С7. Також через це трансформатор під час роботи може видавати відчутний гомін – це не є ознакою несправності схеми.

Простий інвертор на транзисторах

Цей перетворювач працює за тим самим принципом, що і перераховані вище схеми, але генератор прямокутних імпульсів (мультивібратор) у ньому побудований на біполярних транзисторах.

Особливість цієї схеми полягає в тому, що вона зберігає працездатність навіть на сильно розрядженому акумуляторі: діапазон вхідної напруги становить 3,5...18 вольт. Але, оскільки в ній відсутня будь-яка стабілізація вихідної напруги, при розрядці акумулятора одночасно пропорційно падатиме і напруга на навантаженні.

Так як ця схема також є низькочастотною, трансформатор знадобиться аналогічний використовуваному в інверторі на основі К561ТМ2.

Удосконалення схем інверторів

Наведені у статті пристрої вкрай прості та за рядом функцій не можуть зрівнятися із заводськими аналогами. Для поліпшення їхніх характеристик можна вдатися до нескладних переробок, які дозволять краще зрозуміти принципи роботи імпульсних перетворювачів.

Збільшення вихідної потужності

Всі описані пристрої працюють за одним принципом: через ключовий елемент (вихідний транзистор плеча) первинна обмотка трансформатора з'єднується з входом живлення на час, заданий частотою та шпаруватістю генератора, що задає. При цьому генеруються імпульси магнітного поля, що збуджують у вторинній обмотці трансформатора синфазні імпульси з напругою, що дорівнює напрузі в первинній обмотці, помноженому на відношення числа витків в обмотках.

Отже, струм, що протікає через вихідний транзистор, дорівнює струму навантаження, помноженого на зворотне співвідношення витків (коефіцієнт трансформації). Саме максимальний струм, який може пропускати через себе транзистор, та визначає максимальну потужність перетворювача.

Існують два способи збільшення потужності інвертора: або застосувати потужніший транзистор, або застосувати паралельне включення кількох менш потужних транзисторівв одному плечі. Для саморобного перетворювача другий спосіб краще, тому що дозволяє не тільки застосувати більш дешеві деталі, але й зберігає працездатність перетворювача при відмові одного з транзисторів. Без вбудованого захисту від перевантажень таке рішення значно підвищить надійність саморобного приладу. Зменшиться і нагрівання транзисторів при їх роботі на колишньому навантаженні.

На прикладі останньої схеми це виглядатиме так:

Автоматичне вимкнення при розряді акумулятора

Відсутність у схемі перетворювача пристрою, що автоматично відключає його при критичному падінні напруги живлення, може серйозно підвести Васякщо залишити такий інвертор підключеним до акумулятора автомобіля. Доповнити саморобний інвертор автоматичним контролем буде дуже корисно.

Найпростіший автоматичний вимикачнавантаження можна зробити з автомобільного реле:

Як відомо, кожне реле має певну напругу, при якій замикаються його контакти. Підбором опору резистора R1 (воно становитиме близько 10% від опору реле обмотки) налаштовується момент, коли реле розірве контакти і припинить подачу струму на інвертор.

ПРИКЛАД: Візьмемо реле з напругою спрацьовування (U р) 9 вольт і опором обмотки (R про) 330 ом. Щоб воно спрацьовувало при напрузі вище 11 вольт (U min) , послідовно з обмоткою потрібно включити резистор із опоромR н, що розраховується з умови рівностіU р /R про =(U min -U р)/R н. У нашому випадку знадобиться резистор на 73 ома, найближчий стандартний номінал – 68 ом.

Звичайно, цей пристрій вкрай примітивний і є швидше розминкою для розуму. Для стабільнішої роботи його потрібно доповнити нескладною схемою управління, яка підтримує поріг відключення набагато точніше:

Регулювання порога спрацьовування здійснюється підбір резистора R3.

Пропонуємо переглянути відео на тему

Виявлення несправностей інвертора

Перелічені прості схеми мають дві найпоширеніші несправності – або на виході трансформатора відсутня напруга, або вона замала.

• Перший випадок – це одночасна відмова обох плеч перетворювача, що малоймовірно, або відмова ШИМ-генератора. Для перевірки скористайтесь світлодіодним пробником, який можна придбати у будь-якому магазині радіодеталей. Якщо ШІМ працює, на затворах транзисторів Ви побачите наявність сигналу за швидкими пульсаціями свічення діода (особливо це добре помітно в низькочастотних схемах). За наявності сигналу керування перевірте, чи немає обривів у з'єднаннях трансформатора і цілісність його обмотки.
• Велике падіння напруги – це очевидна ознака відмови одного з силових плечей інвертора. Знайти транзистор, що відмовив, можна найпростішим чином - його радіатор залишиться холодним. Заміна ключа поверне інвертор працездатність.

Висновок

Як можна зрозуміти з матеріалів статті, зробити своїми руками нескладний перетворювач 12 - 220 вольт не так і важко.

І хоча такі пристрої і не зможуть зрівнятися за набором додаткових функційабо привабливості зовнішнього вигляду із заводськими, вони обійдуться господареві значно дешевше. За дотримання правил експлуатації саморобний перетворювач працюватиме дуже довго, адже в такому простому пристроїпрактично нема чому ламатися.

Насамкінець пропонуємо подивитися ще один відеоматеріал, про виготовлення пристрою з БП комп'ютера

Зниження напруги постійного струму. Як працює знижуючий перетворювач напруги. Де він застосовується? Опис принципу дії. Покрокова інструкціяз проектування (10+)

Знижувальний імпульсний перетворювач напруги. Проектування. Розрахунок

Для зниження постійної напругиз мінімальними втратами та отримання стабілізованого виходу застосовується наступний підхід. Постійна напруга перетворюється на імпульси змінної шпаруватості. Далі ці імпульси пропускаються через котушку індуктивності. Енергія накопичується на накопичувальному конденсаторі. Зворотний зв'язок стежить за стабільністю вихідної напруги і для цього регулює шпаруватість імпульсів.

Якщо немає потреби у зниженні втрат, то застосовується послідовний стабілізатор безперервної дії.

Принцип роботи понижуючого перетворювача напруги заснований на властивості котушки індуктивності (дроселя) накопичувати енергію. Накопичення енергії проявляється в тому, що сила струму через котушку індуктивності має інерцію. Тобто вона не може змінитися миттєво. Якщо до котушки прикласти напругу, то сила струму поступово наростатиме, якщо прикласти зворотну напругу, то сила струму поступово зменшуватиметься.

До вашої уваги добірки матеріалів: На схемі бачимо, що блок управління D1залежно від напруги на конденсаторі C2замикає та розмикає силовий ключ. Причому чим вище напруга на C2, тим менше час, на який замикається ключ, тобто менше коефіцієнт заповнення (більше шпаруватість). Якщо напруга на конденсаторі C2перевищує деяке, то ключ взагалі перестає замикатися, доки напруга не знизиться. Як забезпечується така робота схеми управління, описано у статті про широтно-імпульсну модуляцію. Коли силовий ключ замкнутий, струм йде шляхом S1. При цьому до котушки індуктивності прикладена напруга, що дорівнює різниці між вхідною та вихідною напругою. Струм через котушку збільшується пропорційно до напруги, доданої до котушки, і часу, на який замикається ключ. Котушка накопичує енергію. Текучий струм заряджає конденсатор C2. Коли силовий ключ розімкнуто, струм йде шляхом S2через діод. До котушки індуктивності додана вихідна напруга зі зворотним знаком. Струм через котушку зменшується пропорційно до напруги, доданої до котушки, і часу, протягом якого ключ розімкнуть. Текучий струм, як і раніше, заряджає конденсатор C2. Коли конденсатор C2зарядиться, ключ перестає замикатися, заряджання конденсатора припиняється. Ключ знову почне замикатися, коли конденсатор C2трохи розрядиться через навантаження. Конденсатор C1необхідний у тому, щоб зменшити пульсації струму у вхідний ланцюга, відбирати з нього не імпульсний, а середній струм. Переваги, недоліки, застосування Втрати енергії безпосередньо залежать від відношення вхідної та вихідної напруги. Так знижуючий перетворювач теоретично може сформувати великий вихідний струм при малій напрузі з невеликого вхідного струму, але великої напруги, але нам доведеться переривати великий струмпри великій напрузі, що гарантує високі втрати комутацій. Так що понижуючі перетворювачі застосовуються, якщо вхідна напруга в 1.5 - 4 рази більша за вихідний, але їх намагаються не застосовувати при більшій різниці. Розберемо процес проектування та розрахунку понижувального перетворювача та пробуємо його на прикладах. Наприкінці статті буде форма, в яку можна забити необхідні параметри джерела, розрахувати онлайн і отримати номінали всіх елементів. Наприклад візьмемо такі схеми: Схема 1 Схема 2 Однією з проблем понижуючих перетворювачів є складність управління силовим ключем, тому що його емітер (витік) зазвичай не підключений до загального дроту. Далі ми розглянемо кілька варіантів вирішення цієї проблеми. Поки зупинимося на дещо нестандартному включенні мікросхеми – ШІМ контролера. Ми використовуємо мікросхему 1156EU3. У цієї мікросхеми вихідний каскад виконаний за класичною двотактною схемою. Середня точка цього каскаду виведена на ніжку 14, емітер нижнього плеча з'єднаний із загальним проводом (ніжка 10), колектор верхнього плеча виведений на ніжку 13. Ми з'єднаємо ніжку 14 із загальним проводом через резистор, а ніжку 13 підключимо до бази ключового тран. Коли верхнє плече вихідного каскаду відкрито (це відповідає подачі напруги, що відмикає на вихід), струм протікає через емітерний перехід транзистора VT2, ніжку 13, верхнє плече вихідного каскаду, ніжку 14, резистор R6. Цей струм відмикає транзистор VT2. У такому включенні можна застосовувати контролери з відкритим емітером на виході. У цих контролерах немає нижнього плеча. Але воно нам і не потрібне. У нашій схемі як силовий ключ використовується потужний біполярний транзистор. Докладніше про роботу біполярного транзистора як силовий ключ. Як силовий ключ можна використовувати складовий транзистор , щоб знизити навантаження на контролер. Однак, напруга насичення колектор - емітер складеного транзистора в рази більша, ніж у одинарного. У статті про складовий транзистор описано, як розрахувати цю напругу. Якщо Ви використовуєте складовий транзистор, то у формі розрахунку наприкінці статті вкажіть як напругу насичення колектор - емітер VT2 саме цю напругу. Чим вище напруга насичення, тим вище втрати, так що зі складеним транзистором втрати будуть у рази більші. Але рішення є. Воно буде описано далі у розділі про малопотужні контролери. Є вихідна напруга. Від яких елементів воно залежить? Також буду дуже вдячний, якщо підкажете, як правильно розрахувати параметри понижуючого перетворювача 100в на 28в 1000 Ватт. Заздалегідь велике спасибі. Опис та параметри MOC3061, MOC3062, MOC3063. Застосування в тиристорних схемах. Як сконструювати імпульсний перетворювач, що інвертує. Як вибрати частот... Мікроконтролери. Складання програми. Інструменти проектування сх... Як і за допомогою чого програмувати і налагоджувати мікро-контролери, проектуватиметься...

Прості схеми імпульсних перетворювачів постійної напруги для живлення радіоаматорських пристроїв

Доброго дня, шановні радіоаматори!
Сьогодні на сайтіми розглянемо кілька схем нескладних, навіть можна сказати – простих, імпульсних перетворювачів напруги DC-DC(перетворювачів постійної напруги однієї величини, в постійну напругу іншої величини)

Чим хороші імпульсні перетворювачі. По-перше, вони мають високий ККД, і по-друге можуть працювати при вхідній напрузі нижче вихідного.
Імпульсні перетворювачі поділяються на групи:
- Знижувальні, що підвищують, інвертують;
- Стабілізовані, нестабілізовані;
- гальванічно ізольовані, неізольовані;
– з вузьким та широким діапазоном вхідної напруги.
Для виготовлення саморобних імпульсних перетворювачів найкраще використовувати спеціалізовані інтегральні мікросхеми – вони простіші у складанні та не примхливі при налаштуванні.

Перша схема.
Нестабілізований транзисторний перетворювач:
Цей перетворювач працює на частоті 50 кГц, гальванічна ізоляція забезпечується трансформатором Т1, який намотується на кільці К10х6х4, 5 з фериту 2000НМ і містить: первинна обмотка - 2х10 витків, вторинна обмотка - 2х70 витків дроту ПЕВ. Транзистори можна замінити на КТ501Б. Струм від батареї, за відсутності навантаження, практично не споживається.

Друга схема.


Трансформатор Т1 намотується на феритовому кільці діаметром 7 мм, містить дві обмотки по 25 витків проводу ПЕВ=0,3.

Третя схема.
:


Двотактний нестабілізований перетворювач на основі мультивібратора (VТ1 та VТ2) та підсилювача потужності (VТ3 та VТ4). Вихідна напруга підбирається кількістю витків вторинної обмоткиімпульсного трансформатора Т1.

Четверта схема.
Перетворювач на спеціалізованій мікросхемі:
Перетворювач стабілізуючого типу на спеціалізованій мікросхемі фірми MAXIM. Частота генерації 40...50 кГц, накопичувальний елемент - дросель L1.

П'ята схема.
Нестабілізований двоступінчастий помножувач напруги:


Можна використовувати одну з двох мікросхем окремо, наприклад, другу, для множення напруги від двох акумуляторів.

Шоста схема.
Імпульсний стабілізатор, що підвищує, на мікросхемі фірми MAXIM:
Типова схема включення імпульсного стабілізатора, що підвищує, на мікросхемі фірми MAXIM. Працездатність зберігається при вхідній напрузі 1,1 вольт. ККД - 94%, струм навантаження - до 200 мА.

Сьома схема.
Дві напруги від одного джерела живлення :
Дозволяє отримувати дві різні стабілізовані напруги з ККД 50…60% і струмом навантаження до 150 мА у кожному каналі. Конденсатори С2 та С3 – накопичувачі енергії.

Восьма схема.
Імпульсний стабілізатор, що підвищує, на мікросхемі-2 фірми MAXIM:
Типова схема включення спеціалізованої мікросхеми фірми MAXIM. Зберігає працездатність при вхідній напрузі 0,91 вольта, має малогабаритний корпус SMD і забезпечує струм навантаження до 150 мА при ККД - 90%.

Дев'ята схема.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РЕСПУБЛІКИ МОРДОВ'Я РЕГІОНАЛЬНИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ОКРУГ

Конкурс дослідницьких робітучнів

«ІНТЕЛЕКТУАЛЬНЕ МАЙБУТНЄ МОРДОВІЇ»

Імпульсний перетворювач напруги

Автори роботи:Мамонов Олексій, Голяткін Олексій – студенти спеціальності « Технічна експлуатаціята обслуговування електричного та електромеханічного обладнання»

ГБОУ РМ СПО (СУНЗ) «Саранський електромеханічний коледж»

Саранськ 2013

Анотація.У цій роботі пропонується та обговорюється принципова схема та конструкторське виконання імпульсного підвищуючого DC-DC перетворювача 12/220В. Розроблене малогабаритне джерело постійної напруги 220В з живленням від акумуляторної батареї 12В призначене для автономного, яскравого та економічного освітлення будинку, гаража, дачі при недоступності централізованого електропостачання. Схема перетворювача відрізняється простотою, надійністю та набором недорогих та доступних елементів.

Вступ……………………………………………………………………………..…………...4

1. Теоретична частина…………………………………………………..………………………5

1.1 Основні типи перетворювачів електричної енергії………………….………5

1.2 Імпульсні перетворювачі напруги …………...………………….…….……..6

2.Експериментальна частина………………………………………..……………………...…….9

2.1. Розробка принципової електричної схемипідвищує DC-DC перетворювача напруги 12/220В.……………………………………………..…...….9

2.2 Конструкція, технологія виготовлення та випробування перетворювача………........10

2.3. Розрахунок собівартості перетворювача..……………………………...…………..….11

Заключение………………………………………………………………………..……….……12

Список використаних джерел та літератури…………………………..…...…………12

Вступ

Нині ринку електронної апаратури запропоновано великий вибір перетворювачів. Вони знайшли широке застосуванняу різних галузях промисловості та у побуті. Перетворювачі напруги відрізняються своїми функціональними можливостями, формою вихідної напруги, потужністю на виході та відповідно ціною.

У цій роботі пропонується та обговорюється принципова схема та конструкторське виконання підвищуючого DC-DC перетворювача 12/220В. Основними критеріями розробки перетворювача були малі габарити за високої питомої потужності, простота технічного рішення, надійність і низька ціна.

Метою дослідженняє розробка та виготовлення малогабаритного джерела постійної напруги 220В з живленням від акумуляторної батареї 12В. Завданнями дослідженняє:

Вивчити та проаналізувати існуючі типи перетворювачів електричної енергії.

Розробити оптимальну електричну схему та конструкцію перетворювача напруги на 12-220В.

Виготовити перетворювач за розробленою схемою.

Провести випробування перетворювача, виміряти вхідні та вихідні характеристики та зробити висновки про його працездатність.

Методи дослідження:вивчення літератури та інтернет - ресурсів, спостереження, узагальнення, аналіз, класифікація, моделювання, прогнозування, експеримент, розрахунок, порівняння, опис.

Практична значущість роботи. Розроблений перетворювач напруги є простим та недорогим джерелом автономного живлення для автономного, яскравого та економічного освітлення будинку, гаража, дачі за недоступності централізованого електропостачання.

Актуальність тематики. Пристрій є актуальним для власників неелектрофікованих садових будиночків, гаражів, де єдиним джерелом електроенергії може бути акумуляторна батарея автомобіля.

1. Теоретична частина

1.1 Основні типи перетворювачів електричної енергії.

Перетворювач електричної енергії - це електротехнічний пристрій, призначений для перетворення параметрів електричної енергії (напруги, частоти, фаз, форми сигналу). Для реалізації перетворювачів широко використовуються напівпровідникові прилади, оскільки вони забезпечують високий ККД – важливий параметр електротехнічних пристроїв.

Основними видами перетворення електричної енергії є:

· Випрямлення змінного струму - перетворення змінного струму в постійний (рис.1). Цей вид перетворення найбільш поширений, оскільки деякі споживачі електричної енергії можуть працювати тільки на постійному струмі (зварювальні пристрої, електролізні установки тощо) або мають на постійному струмі вищі техніко-економічні показники, ніж на змінному (електропривід системи електричної тяги) лінії передачі електричної енергії дуже високої напруги);

Рис. 2. Принцип дії інвертора.

· Перетворення частоти - зазвичай змінний струмпромислової частоти 50 Гц перетворюється на змінний струм непромислової частоти (живлення регульованих електроприводів змінного струму, установки індукційного нагріву та плавки металів, ультразвукові пристрої тощо) (рис. 3);

· Перетворення числа фаз. Іноді необхідне перетворення трифазного струмуоднофазний (для живлення потужних дугових електропечей) або навпаки, однофазного трифазний (електрифікований транспорт). У промисловості використовуються трифазно-однофазні перетворювачі частоти з безпосередньою частиною, в яких поряд з перетворенням промислової частоти на нижчу відбувається і перетворення трифазної напругив однофазне;

· Перетворення постійного струму однієї напруги в постійний струміншої напруги (трансформування постійного струму) (рис. 4). Подібне перетворення необхідне на ряді рухомих об'єктів, де джерелом живлення є акумуляторна батарея або інше джерело постійного струму низької напруги, а споживачам потрібен постійний струм вищої напруги (наприклад, для живлення радіотехнічної апаратури).

Рис. 4. Принцип дії перетворювача постійної напруги.

Існують і деякі інші види перетворення електричної енергії (наприклад, формування певної кривої змінної напруги), зокрема, формування потужних імпульсів струму, які знаходять застосування в спеціальних установках, регульоване перетворення змінної напруги. Усі види перетворень здійснюються з використанням ключових силових елементів.

Основні типи напівпровідникових ключів – діоди, силові біполярні транзистори, тиристори , тиристори, що замикаються, транзистори з польовим управлінням.

1.2 Імпульсні перетворювачі напруги

Для перетворення напруги одного рівня напруга іншого рівня часто застосовують імпульсні перетворювачі напруги з використанням індуктивних накопичувачів енергії. Такі перетворювачі відрізняються високим ККД, що іноді досягає 95%, і володіють можливістю отримання підвищеної, зниженої або інвертованої вихідної напруги.

Відповідно до цього відомо три типи схем перетворювачів: знижувальні, що підвищують та інвертують. Спільними для всіх цих видів перетворювачів є п'ять елементів: джерело живлення, ключовий елемент, що комутує, індуктивний накопичувач енергії (котушка індуктивності, дросель), блокувальний діод і конденсатор фільтра, включений паралельно опору навантаження. Включення цих п'яти елементів у різних поєднаннях дозволяє реалізувати будь-який із трьох типів імпульсних перетворювачів.

Регулювання рівня вихідної напруги перетворювача здійснюється зміною ширини імпульсів, керуючих роботою ключового елемента, що комутує, і, відповідно, що запасається в індуктивному накопичувачі енергії. Стабілізація вихідної напруги реалізується шляхом використання зворотного зв'язку: при зміні вихідної напруги відбувається автоматична зміна ширини імпульсів.

Знижуючий перетворювач (рис. 5) містить послідовно включений ланцюжок з комутуючого елемента S1, індуктивного накопичувача енергії L1, опору навантаження Rн і включеного конденсатора паралельно йому фільтра С1. Блокувальний діод VD1 підключений між точкою з'єднання ключа S1 ​​з накопичувачем енергії L1 та загальним дротом.

Рис. 5. Принцип дії понижувального перетворювача напруги.

При відкритому ключі діод закритий, енергія джерела живлення накопичується в індуктивному накопичувачі енергії. Після того, як ключ S1 буде закритий (розімкнутий), запасена індуктивним накопичувачем L1 енергія через діод VD1 передається в опір навантаження Rн. Конденсатор С1 згладжує пульсацію напруги.

Підвищує імпульсний перетворювач напруги (рис. 6) виконаний на тих же основних елементах, але має інше їх поєднання: до джерела живлення підключений послідовний ланцюжок з індуктивного накопичувача енергії L1, діода VD1 та опору навантаження з паралельно підключеним конденсатором фільтра С1. Комутуючий елемент S1 включений між точкою з'єднання накопичувача енергії L1 з діодом VD1 та загальною шиною.

Рис. 6. Принцип дії підвищуючого перетворювача напруги.

При відкритому ключі струм джерела живлення протікає через котушку індуктивності, в якій запасається енергія. Діод VD1 при цьому закритий, ланцюг навантаження відключений від джерела живлення, ключа та накопичувача енергії. Напруга на опорі навантаження підтримується завдяки запасеної на конденсаторі фільтра енергії. При розмиканні ключа ЕРС самоіндукції підсумовується напругою живлення, запасена енергія передається у навантаження через відкритий діод VD1. Отримана у такий спосіб вихідна напруга перевищує напругу живлення.

Інвертуючий перетворювач імпульсного типу містить те ж поєднання основних елементів, але в іншому їх з'єднанні (рис. 7): до джерела живлення підключений послідовний ланцюжок з комутованого елемента S1, діода VD1 і опору навантаження Rн з конденсатором фільтра С1. Індуктивний накопичувач енергії L1 включений між точкою з'єднання елемента комутування S1 з діодом VD1 і загальною шиною.

Рис. 7. Імпульсне перетворення напруги з інвертуванням.

Працює перетворювач у такий спосіб: при замиканні ключа енергія запасається в індуктивному накопичувачі. Діод VD1 закритий і не пропускає струм від джерела живлення у навантаження. При відключенні ключа ЕРС самоіндукції накопичувача енергії виявляється прикладеною до випрямляча, що містить діод VD1, опір навантаження Rн та конденсатор фільтра С1. Оскільки діод випрямляча пропускає навантаження тільки імпульси негативного напруги, на виході пристрою формується напруга негативного знака.

Існують інші різновиди імпульсних перетворювачів напруги. Зворотноходовий перетворювач - різновид статичних імпульсних перетворювачів напруги з гальванічною розв'язкою первинних та вторинних ланцюгів. Основним елементом зворотноходового перетворювача є багатообмотувальний накопичувальний дросель, який часто називають трансформатором. Розрізняють два основні етапи роботи схеми: етап накопичення енергії дроселем від первинного джерела електроенергії та етап виведення енергії дроселя в вторинний ланцюг(Вторинні ланцюги).

Двотактний перетворювач - перетворювач напруги, що використовує трансформатор зміни напруги джерела живлення. Перевагою двотактних перетворювачів є їхня простота. Двотактний перетворювач схожий на зворотноходовий перетворювач, проте заснований на іншому принципі роботи (енергія в осерді трансформатора не запасається).

2. Експериментальна частина

2.1. Розробка принципової електричної схеми підвищуючогоDC- DCперетворювача напруги 12/220В

Принцип дії пропонованого перетворювача полягає в наступному: постійний струм від акумуляторної батареї напругою 12В перетворюється інвертором змінний струм тієї ж напруги, яка підвищується трансформатором до 220В і далі випрямляє випрямляч. Загальний вид структури реалізованого перетворювача показано на рис. 8.

Рис. 8. Структурна схема перетворювача напруги 12/220В.

Принципова схемаперетворювача показано на рис. 9. Перетворювач побудований за двотактною схемою. Основою перетворювача є широко відома мікросхема ШІМ контролера TL494. Дана мікросхема має вбудований генератор, що задає, частота якого встановлюється зовнішньою R3C1 ланцюжком. Робоча частота задається так: зменшуємо опір R3 – збільшуємо частоту. Збільшуємо ємність C1 – зменшуємо частоту та навпаки. У цій схемі частота виходить близько 100КГц. Така висока частотаперетворення зумовлена ​​необхідністю мінімізації габаритів перетворювального трансформатора.

У схемі використовуються потужні польові транзистори IRFZ46N, які характеризуються меншим часом спрацьовування та більше простими схемамиуправління. Замість них можна використовувати IRFZ44N чи IRFZ48N.

Підвищуючий трансформатор у цьому перетворювачі використовується з блока живлення комп'ютера зі зміненою кількістю витків. Співвідношення витків у трансформаторі 1:1:20, де 1:1 – дві половинки первинної обмотки (10+10 витків), а 20 – відповідно, вторинна обмотка (200 витків). Для первинної обмотки використовується провід діаметром 0,5 мм, для вторинної обмотки – 0,3 мм.

Вихідна напруга перетворювача знімається з вторинної обмотки трансформатора і випрямляється за бруківкою, виконаною з швидкодіючих діодів КД213.

Рис. 9. Принципова схема перетворювача напруги 12/220В.

Захист схеми від перевантаження та від неправильного підключення живлення (полярності «+» та «-») можна реалізувати через запобіжник та діод на вході.

2.2. Конструкція, технологія виготовлення та випробування перетворювача

Зовнішній вигляд готового перетворювача напруги подано на рис. 10, де 1 - корпус перетворювача, 2 - вхідні контакти, 3 - вихідні контакти, 4 - вентилятор.

http://pandia.ru/text/78/373/images/image015_24.jpg" width="276" height="265 src=">Ацетон" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark Ацетоном.

Для запобігання перегріву транзисторів при тривалих режимах роботи встановлено радіатор та вентилятор.

Готовий перетворювач був випробуваний для харчування енергозберігаючих лампденного світла цокольного типу та ламп розжарювання потужністю до 40 Вт (рис. 12).

Рис. 12. Випробування перетворювача.

В результаті випробувань отримані такі дані:

Вхідна напруга – 12В, вихідна напруга – 220+/-5В, максимальна вихідна потужність – 40Вт.

Перетворювач випробовувався як у короткочасних, так і в тривалих режимах роботи (4години) з енергозберігаючими та лампами розжарювання різної потужностідо 40Вт. У всіх випадках було відзначено нормальне яскраве свічення без мерехтіння.

Порівняльний експеримент на двох лампах одного номіналу, підключених до перетворювача і розетки з напругою 220В - 50Гц, показав візуально однаковий результат.

2.3. Розрахунок собівартості перетворювача

Собівартість перетворювача за вартістю матеріалів становить 356 рублів. Розрахунок наведено у таблиці №1. Для розрахунку взято середні роздрібні ціни у спеціалізованих магазинах електроніки.

Таблиця №1. Розрахунок собівартості перетворювача.

Матеріали та запасні частини	Кількість, шт.	Ціна за одиницю, руб.	Вартість, руб.
1. Мікросхема TL494
2. Транзистори IRFZ46N
3. Резистор 2,6 ком
4. Резистор 1 ком
5. Резистор 10 ком
6. Конденсатор 500мкФ
7. Конденсатор 200мкФ
8. Конденсатор 1нФ
9. Трансформатор

Висновок

Розроблене малогабаритне джерело постійної напруги 220В з живленням від акумуляторної батареї 12В призначене для автономного, яскравого та економічного освітлення будинку, гаража, дачі при недоступності централізованого електропостачання. Схема перетворювача відрізняється простотою, надійністю та набором недорогих та доступних елементів.

Список використаних джерел та літератури

1. ГОСТ Вироби електротехнічні. Терміни та визначення основних понять.

2. , Силова електроніка для любителів та професіоналів - М.: СОЛО-Р, 2001. - 327с.

3. http://www. electromonter. info/theory/convert. html