Меню

Двухкаскадный преобразователь напряжения схема

Что такое инвертор, он же преобразователь напряжения с 12 на 220 Вольт?

Простые схемы преобразователей, принципы работы, виды инверторов по
формам выходного напряжения.

Инвертор (в узком электротехническом понимании этого слова) – это устройство для преобразования постоянного тока в переменное с изменением величины действующего значения напряжения. В ещё более узком – преобразователь постоянного напряжения (12, 24 или 48 В) в переменное 220 В.
И наконец, в радикально узком понимании – штуковина, позволяющая запитать от автомобильного аккумулятора различные бытовые приборы, рассчитанные на сетевое питание, а короче – весьма полезный и удобный в хозяйстве прибамбас!

По форме выходного напряжения инверторы подразделяются на следующие виды:

  • Постоянное выпрямленное напряжение 220 В или переменное импульсное напряжение высокой частоты (десятки килогерц). Используются такие преобразователи крайне редко, т. к. непригодны для многих источников потребления, мало того, для некоторых могут представлять серьёзную опасность и угрозу полного кирдыка.
  • Меандр 50 Гц. Используются также редко, так как выходное напряжение содержит большое количество высокочастотных составляющих. Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства импульсных источников питания, ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп. Малопригодны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока.
  • Модифицированное синусоидальное напряжение 50Гц. От инверторов с модифицированной синусоидой работает практически всё, но менее эффективно, чем с чистой синусоидой. Некоторые приборы могут больше греться, сильнее гудеть и работать с пониженной мощностью. Нежелательны для работы с электродвигателями и компрессорами, а так же чувствительной радиоаппаратурой с 50-герцовыми трансформаторами.
  • Чистое синусоидальное напряжение. Пригодно без всяких ограничений для любых потребителей электроэнергии!
    Из сказанного выше вытекает, что предпочтительными и более универсальными являются инверторы с выходным напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Причём, для их реализации подходят готовые низкочастотные силовые трансформаторы необходимой номинальной мощности, включённые «задом на перёд». То есть — его вторичная низковольтная обмотка служит первичной, а высоковольтная первичная — вторичной. Именно такие схемы мы и рассмотрим в рамках данной статьи.

    Схема, изображённая на Рис.1, а также комментарии к ней заимствованы из книги М. А. Шустова «Практическая схемотехника», раздел — «Преобразователи напряжения».

    Рис.1 Схема простого преобразователя напряжения 220 В, 50 Гц

    «Максимальная выходная мощность преобразователя — 100 Вт, КПД — до 50%.
    Задающий генератор выполнен по схеме традиционного симметричного мультивибратора, выполненного на транзисторах ѴТ1 и ѴТ2 (КТ815). Выходные каскады преобразователя собраны на составных транзисторах ѴТ3 и ѴТ4 (КТ825). Эти транзисторы устанавливают без изолирующих прокладок на общий радиатор.
    Устройство потребляет от аккумулятора ток до 20 А. В качестве силового использован готовый сетевой трансформатор на 100 Вт (сечение центральной части железного сердечника — около 10 см2). У него должны быть две вторичные обмотки, рассчитанные на 8В/10А каждая. Для того, чтобы частота работы задающего генератора была равна 50 Гц, подбирают номиналы резисторов R1 и R2″.
    Так как мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, а мощные эмиттерные повторители повторяют эту форму, то и в нагрузке будет протекать переменный ток, напоминающий по форме синусоиду и дополнительных мер по сглаживанию не требуется.

    Читайте также:  Причины напряжения гортани при выступлении

    Значительно повысить КПД инвертора можно, если применить в качестве силовых каскадов не повторители напряжения, а транзисторы, работающие в ключевом режиме.
    Такая модификация преобразователя приведена на Рис.2.

    Рис.2 Схема простого преобразователя напряжения с повышенным КПД

    Принцип работы преобразователя такой же, как и у предыдущего устройства. Задающий генератор (Т1, Т2) формирует два пара-фазных напряжения с частотой 50 Гц. Напряжения с выходов задающего генератора подаются на два однотипных ключевых каскада (Т3, Т4), которые коммутируют напряжение на первичной обмотке трансформатора. Поскольку мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, ключевые транзисторы срабатывают с некоторой задержкой, обуславливая формирование на выходе инвертора подобие модифицированного синусоидального напряжения.
    С указанными на схеме элементами выходная мощность преобразователя составляет около 200 Вт. Дальнейшего повышения КПД и увеличения мощности инвертора можно добиться простой заменой биполярных ключевых элементов на мощные MOSFET транзисторы, как это показано на Рис.2.

    Многочисленные и довольно популярные схемы инверторов, построенные на специализированных микросхемах для импульсных источников питания (типа TL494, TL594 и др.) обладают следующими преимуществами: высоким КПД и не менее высокой стабильность частоты, мало зависящей от напряжения питания и внешних условий.
    Приведём для примера подобную схему импульсного преобразователя напряжения +12V в

    220V мощностью 100W, опубликованную в журнале «Радиоконструктор» — 07 — 17.

    Рис.3 Принципиальная схема импульсного преобразователя напряжения +12V в

    «Эквивалентная частота генерации составляет 50 Гц и задаётся величиной сопротивления резистора R5 и ёмкостью конденсатора С5. Резистором R4 регулируется скважность выходных импульсов. Им можно регулировать выходное напряжение.
    На выходах микросхемы (выводы 9 и 10) выделяются противофазные импульсы, немного задержанные относительно друг друга, чтобы не вызывать сквозного тока в схеме выходного каскада в моменты переключения. Импульсы поступают на мощные ключевые полевые транзисторы VT1 и VT2. Диоды VD2 и VD3 защищают эти транзисторы от выбросов отрицательной ЭДС на первичной обмотке импульсного трансформатора Т1.

    Трансформатор Т1 — готовый низкочастотный силовой трансформатор номинальной мощностью 100W с одной первичной обмоткой на 220V и вторичной обмоткой на 18V с отводом от середины. Можно попробовать и трансформатор с вторичной обмоткой на 12V с отводом от середины или на 24V с отводом от середины. Но во втором случае, боюсь, что выходное напряжение окажется несколько ниже 220V.
    Трансформатор включён «задом на перёд», то есть, его вторичная низковольтная обмотка теперь служит первичной, а высоковольтная первичная — вторичной.
    Подключив нагрузку и мультиметр, резистором R4 выставить напряжение на нагрузке 220V».

    Многие схемы, построенные на TL494, TL594 и т. д., при всех своих достоинствах, часто обладают одним, но существенным недостатком. Если не позаботиться о корректной установке «мёртвого времени» ИМС (в приведённой схеме — резистором R4), то напряжения на выходе преобразователей будет иметь форму, близкую к форме меандра со всеми вытекающими отсюда последствиями. Причём, никакие дополнительные дроссели, а также конденсаторы во вторичной обмотке трансформатора — к существенному результату не приведут!

    Читайте также:  24v ac какое напряжение

    А вот уважаемый товарищ А.П. Семьян в своей книжке «500 схем для радиолюбителей» порадовал нас оригинальным схемотехническим решением с формированием модифицированного синуса посредством цифровой микросхемы 561ИЕ8 (Рис.4).

    Рис.4 Схема простого импульсного преобразователя напряжения на микросхеме 561ИЕ8

    На элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор с частотой 500 Гц. Делитель на DD2 формирует две импульсные последовательности частотой 50 Гц со сдвинутыми на 180° фазами для управления силовыми ключами VT1 и VT2 двухтактного преобразователя.
    Чтобы избежать сквозных токов переключения между выключением одного ключа и включением другого существует «мёртвая зона», равная 10% длительности периода. При подаче высокого уровня (логической «1») на вход «Блокировка» оба выходных ключа запираются.
    Выходная мощность преобразователя ограничена мощностью силового трансформатора Т1 и максимальным допустимым током выходных транзисторов.
    Коэффициент трансформации силового трансформатора Кт = 20.

    В качестве выходных транзисторов подойдут IRFZ034 (15А), IRFZ044 и RG723A (30A), IRFZ046 (50A), IRFP064 (100А). Для надёжности устройства рекомендуется иметь двойной запас по току и тройной — по напряжению. Силовые цепи должны быть по возможности короче и выполнены проводами соответствующего сечения.

    Создание преобразователей с чистым 50-герцовым синусом обычно сопряжено с использованием микроконтроллерных прибамбасов, что делает рассмотрение этого вопроса (для нас доблестных электронщиков) не таким уж и простым и в рамках данной статьи — нецелесообразным.

    Источник

    Простой повышающий преобразователь 12 В в 140 В на одной микросхеме

    Linear Technology LTC3788

    Victor Khasiev, Linear Technology

    Введение

    Для того чтобы получить высокое выходное напряжение из значительно более низкого входного с помощью классической схемы однокаскадного повышающего преобразователя, необходимо преодолеть множество трудностей. Например, обеспечить требуемую степень повышения напряжения может не позволить ограничение на максимальный коэффициент заполнения рабочих импульсов повышающего контроллера. И даже, если эта проблема решена, при больших коэффициентах заполнения часто происходит резкое падение КПД. Можно укоротить рабочие импульсы, выбрав режим с прерывистым током индуктивности, но это приводит к появлению больших пиковых входных токов, росту потерь и проблемам с электромагнитными излучениями.

    Альтернативой может служить двухкаскадный повышающий преобразователь, первый каскад которого вырабатывает промежуточное напряжение, а второй поднимает его до окончательного высокого уровня. Двухкаскадный преобразователь можно сделать на основе одной микросхемы, такой, например, как LTC3788 – двухфазного контроллера повышающего DC/DC преобразователя с двумя выходами, управляющего всеми внешними мощными N-канальными MOSFET.

    Микросхема LTC3788 может быть включена таким образом, чтобы за счет синхронного выпрямления в первом повышающем каскаде получить максимальный КПД, снизить потери энергии и упростить отвод тепла. Максимальное выходное напряжение этого контроллера при использовании синхронного выпрямления равно 60 В. Если же требуется напряжение более 60 В, второй каскад можно сконструировать для работы в несинхронном режиме, как это будет описано ниже.

    Читайте также:  Какое дежурного напряжение блока питания

    Двухкаскадный преобразователь повышает 12 В до 14 В

    Блок схема на Рисунке 1 показывает включение микросхемы LTC3788 в двухкаскадной повышающей конфигурации и позволяет выделить несколько особенностей этого проекта:

    • Выход первого каскада (Q1, CINT) подключен к входу второго каскада (RS2, L2). Выходное напряжение первого каскада не должно превышать 40 В – абсолютного максимума, допустимого для входов SENSE.
    • Напряжения 5 В достаточно для управления MOSFET с логическими входными уровнями, но не стандартными высоковольтными приборами с типичными напряжениями затвора от 7 до 12 В. В связи с этим в схеме может использоваться показанный на Рисунке 1 драйвер затвора DR, усиливающий выходной сигнал с вывода BG2 и управляющий обычным высоковольтным MOSFET.
    • Для того, чтобы получить выходное напряжение, превышающее максимально допустимое значение 60 В, MOSFET синхронного выпрямителя заменены одним диодом D1.
    Рисунок 1. Блок схема двухкаскадного повышающего преобразователя
    на основе микросхемы LTC3788.

    Полная схема изображена на Рисунке 2. Транзисторы Q1, Q2 и индуктивность L1 образуют первый каскад, формирующий напряжение промежуточной шины 38 В. Для получения максимального КПД в этом каскаде использовано синхронное выпрямление. Выход первого каскада подключен к входу второго, состоящего из элементов Q3, D1 и L2. Выходное напряжение второго каскада равно 140 В при токе 1 А.

    Рисунок 2. Полная схема двухкаскадного повышающего преобразователя
    с выходным напряжением 140 В и током 1 А.

    Q3 – это MOSFET со стандартными уровнями, управляемый драйвером верхнего плеча LTC4440. Для питания драйвера затвора на транзисторе Q4 сделан LDO стабилизатор напряжения, однако для дальнейшего повышения КПД схемы здесь можно использовать импульсный преобразователь, собранный, например, на основе микросхемы LTC3536.

    Рисунок 3. Зависимость КПД от тока нагрузки для двухкаскадного
    преобразователя, схема которого показана на
    Рисунке 2. (VIN = 8…24 В, VOUT = 140 В).

    При номинальном входном напряжении 12 В эта схема может повышать напряжения от 3 В до 36 В. Чтобы снизить тепловую нагрузку на компоненты, при входных напряжениях ниже 10 В выходной ток нужно уменьшать. На Рисунке 3 показана измеренная зависимость КПД от тока нагрузки, а на Рисунке 4 – осциллограмма напряжения при запуске преобразователя. Видно, что при входном напряжении 24 В и выходном напряжении 140 В КПД остается на уровне порядка 93% в диапазоне токов нагрузки от 0.4 А до 1 А. При полной нагрузке преобразователь может работать без воздушного охлаждения.

    Рисунок 4. Осциллограмма выходного напряжения при запуске преобразователя.
    (VIN = 12 В, VOUT = 140 В при токе нагрузки 1 А).

    Заключение

    Высококачественный контроллер LTC3788 двухфазного сдвоенного синхронного понижающего преобразователя предназначен для мощных высоковольтных приложений. Для получения особо высоких напряжений два его выхода могут включаться тандемно.

    Материалы по теме

    Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

    Источник

  • Adblock
    detector