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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Convertidor para alimentar equipos domésticos
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Convertidores de tensión, rectificadores, inversores Presentamos a nuestros lectores una descripción de un convertidor de respaldo para alimentar equipos domésticos en ausencia de voltaje en la red de iluminación. Su característica distintiva es la presencia de dos etapas de conversión: alta frecuencia y baja frecuencia, lo que permitió reducir significativamente las dimensiones y el peso del dispositivo. Hoy en día existe un mayor interés en el desarrollo y fabricación de potentes convertidores para alimentar diversos equipos domésticos con baterías recargables. Esto se debe en gran medida a dos factores. En primer lugar, diversos tipos de restricciones e interrupciones en el suministro de energía, que recientemente se han convertido en una práctica común en muchas regiones del país. En segundo lugar, los logros modernos en el campo de la producción industrial de componentes electrónicos especializados para la tecnología de convertidores. Estos incluyen, en primer lugar, potentes transistores de efecto de campo de alta velocidad con su inherente facilidad de control y bajas pérdidas en el estado encendido, así como una amplia gama de controladores PWM integrados, que son, de hecho, convertidores de un solo chip. unidades de control. También es importante que recientemente una base tan elemental esté disponible para el radioaficionado promedio, tanto en términos de gama de productos como de costo. Como resultado, fue posible desarrollar dispositivos convertidores que contienen una pequeña cantidad de piezas y al mismo tiempo tienen altas características de energía y rendimiento. Las descripciones de dichos convertidores se han publicado más de una vez en las páginas de Radio [1, 2] y en la literatura técnica relevante [3, 4]. Una característica distintiva de estos dispositivos es que todos funcionan a una frecuencia de conversión baja (normalmente 50 Hz). Esto se debe a la necesidad de garantizar que los parámetros de salida de los convertidores correspondan a las características de frecuencia de la red eléctrica doméstica, ya que existe una gran clase de aparatos eléctricos que requieren una tensión de alimentación alterna. Estos incluyen, por ejemplo, todos los consumidores que contienen un transformador de red o diferentes tipos de motores de corriente alterna. Al mismo tiempo, la elección de una frecuencia de conversión baja provoca ciertas dificultades de diseño y funcionamiento: la fabricación de un potente transformador de salida, que determina principalmente los parámetros de peso y tamaño de todo el dispositivo, y el característico "zumbido" del convertidor durante su funcionamiento. Además, los convertidores descritos, por regla general, no están equipados con unidades para estabilizar la tensión de salida en función de la potencia de la carga conectada a ellos o del grado de descarga de la batería de alimentación. Como resultado, los cambios en la amplitud de la tensión alterna de salida son posibles dentro de un rango bastante amplio (hasta 30...40%), lo que no siempre tiene un efecto favorable en los consumidores. Todo lo anterior predeterminó el diseño del convertidor propuesto, desarrollado teniendo en cuenta las desventajas indicadas inherentes a los dispositivos existentes. Funcionalmente, el convertidor consta de dos partes principales: un potente inversor elevador de alta frecuencia con un rectificador de salida y un inversor-interruptor de baja frecuencia. Principales características técnicas
El diagrama del dispositivo se muestra en la Fig. 1. El inversor de alta frecuencia se fabrica según el circuito de un convertidor directo push-pull utilizando transistores VT1 -VT4 y transformador T1. Las ventajas de esta solución incluyen bajos niveles de ondulación, un mejor uso de los transistores de conmutación en términos de corriente y una mayor eficiencia que los convertidores ensamblados mediante un circuito puente. Los elementos amortiguadores VD2, VD3, R1, C3 se utilizan para reducir la amplitud de las sobretensiones durante la conmutación y facilitar el funcionamiento de los transistores.
La protección del inversor contra sobrecarga o cortocircuito en la salida se basa en el relé de corriente K1 incluido en el circuito de alimentación primario. Se fabrica a base de un interruptor de láminas con un grupo de contactos de cierre, colocado en el centro de una bobina de una o dos vueltas del cable de alimentación procedente del terminal positivo de la batería. Al mismo tiempo, la resistencia interna de dicho relé es muy pequeña y prácticamente no tiene ningún efecto sobre el funcionamiento del convertidor en modo normal. En caso de sobrecarga, los contactos del interruptor reed se cierran, enviando la correspondiente señal de protección a la unidad de control del inversor HF A1. La velocidad de respuesta de la protección actual es de 1...2 ms. El rectificador de voltaje de salida se fabrica mediante un circuito puente que utiliza diodos VD4-VD7, lo que también permite reducir el nivel de ondulación y aumentar la tasa de utilización del transformador de pulso T1. La tensión rectificada se suministra al filtro suavizante L1C5-C7. La señal de retroalimentación de voltaje, necesaria para el funcionamiento de la unidad de control del inversor HF A1, se elimina del divisor de voltaje resistivo R3-R5. Se suministra voltaje de CC estabilizado a un inversor-conmutador de baja frecuencia, realizado según un circuito de puente completo utilizando transistores VT5-VT8. La tensión alterna rectangular de la frecuencia de la red generada por el interruptor se suministra a la carga del convertidor. El modo de funcionamiento del interruptor lo determina la unidad de control del inversor de baja frecuencia A2. Los transistores VT5-VT8 están controlados por controladores idénticos A4-A7, aislados galvánicamente del resto de componentes del convertidor. El "corazón" del inversor HF es el chip controlador PWM KR1156EU2 [5] (análogo extranjero - UC3825 de Unitrode [6]), que está diseñado específicamente para controlar fuentes de alimentación conmutadas push-pull con una alta frecuencia de conmutación, que funcionan con voltaje. o comentarios actuales. El esquema de la unidad de control del inversor HF A1 se muestra en la fig. 2.
La frecuencia del oscilador maestro interno del controlador está determinada por las clasificaciones de los elementos externos: la resistencia R9 y el condensador C9, y en los valores indicados es de aproximadamente 50 kHz. La señal de diente de sierra necesaria para el funcionamiento, generada en el condensador C9, se suministra a la entrada RAMP del microcircuito. La entrada directa IN del amplificador de señal de error (EE. UU.) dentro del microcircuito recibe voltaje de una fuente de referencia de +5 V. Parte del voltaje de salida del inversor, rectificado por el puente de diodos VD4-VD7, del divisor resistivo R3- R5 se suministra a la entrada inversora IN de la USO. La ganancia del dispositivo en la región de baja frecuencia depende de la resistencia de las resistencias R10, R11 y es igual a 100. El condensador C11 está diseñado para corregir la respuesta de frecuencia del amplificador en la región de alta frecuencia para aumentar la estabilidad. de todo el sistema de control de ancho de pulso. El cambio en el ancho de los pulsos de control de salida se produce como resultado de la comparación realizada por el comparador interno del controlador de voltaje en diente de sierra que actúa en la entrada RAMP con el voltaje de salida del dispositivo. Los pulsos de control generados con una frecuencia de repetición de 25 kHz desde las salidas OUTA y OUTB se suministran a los transistores VT1, VT2 y VT3, VT4, respectivamente. El condensador C10 determina el funcionamiento de la unidad de arranque "suave" del controlador. En el momento en que se enciende, el capacitor comienza a cargarse desde la fuente con una corriente de 9 μA, mientras que el aumento de voltaje en el pin SS a medida que se carga asegura un aumento suave en la duración del ciclo de operación del controlador. Como se puede ver en el diagrama principal (ver Fig. 1), en caso de sobrecarga del convertidor, se activa el relé de corriente K1, cerrando los contactos del interruptor de láminas K1.1. En este caso, el tiristor VS1 se abre, provocando el encendido del LED de “Protección” HL1, así como la aparición de una caída de voltaje de aproximadamente 2 V a través de la resistencia R8. Este voltaje se aplica a la entrada SD del controlador, poniéndolo así en modo de bloqueo. Las salidas OUTA, OUTB del chip DA1 se conmutan a un estado de alta impedancia y los transistores de conmutación VT1-VT4 están cerrados. Para que el dispositivo vuelva a funcionar después de eliminar la sobrecarga, deberá desconectar la alimentación del convertidor por un tiempo. El estabilizador paramétrico R12VD8 limita la tensión de alimentación del controlador a 12 V. La unidad de fuente de alimentación del controlador A2 es un convertidor de impulsos de baja potencia fabricado según el circuito mostrado en la Fig. 3.
Se ensambla un oscilador maestro en los elementos lógicos DD1.1, DD1.2, que genera pulsos con una frecuencia de repetición de aproximadamente 100 kHz. Luego viene un divisor de frecuencia por 4, hecho en los disparadores del microcircuito DD2. Los pulsos de las salidas inversas de los disparadores DD2.1, DD2.2 y la salida directa del disparador DD2.2 se suministran a los elementos lógicos DD1.3 y DD1.4. Desde las salidas de estos elementos, los pulsos de control generados con una frecuencia de repetición de aproximadamente 25 kHz se suministran a los transistores VT9 y VT10, que conmutan la corriente del devanado primario del transformador T2. El diagrama de la unidad de control para el inversor de baja frecuencia A3 se muestra en la fig. cuatro
El oscilador maestro está montado en el temporizador integrado DA2, conectado según un circuito estándar. La frecuencia de repetición de los pulsos generados está determinada por los elementos C17, R23, R24. Para las clasificaciones indicadas es 100 Hz. La señal del generador se alimenta a un divisor de frecuencia por 2, recopilado en un disparador DD3.1, que sirve como modelador de señal parafásica. A continuación, desde el moldeador, se suministran pulsos con una frecuencia de 50 Hz a los elementos lógicos DD4.1, DD4.2, desde cuya salida, a través de los transistores VT11, VT12, se suministran a los LED correspondientes de los optoacopladores del controlador ( A4-A7). Un dispositivo de un solo disparo ensamblado en un disparador DD3.2 está diseñado para obtener una pausa entre los pulsos de control. La presencia de tal pausa es necesaria para evitar la aparición de corriente en los hombros del puente del transistor VT5-VT8. La duración de la pausa formada viene determinada por los valores de los elementos C19, R25, R26, y para los indicados en el diagrama es de aproximadamente 1 ms. Los controladores A4-A7 para controlar los transistores de conmutación VT5-VT8 del inversor de baja frecuencia se fabrican según circuitos idénticos en la Fig. 5.
La señal de control se suministra al controlador a través del optoacoplador de diodo U1, que proporciona aislamiento galvánico de la unidad de control del inversor LF. Luego, después del amplificador en el transistor VT13, la señal pasa a la etapa de salida complementaria VT14VT15, cargada directamente en el circuito de puerta del transistor de conmutación VT5. El controlador es alimentado por un convertidor de pulsos de baja potencia A2 a través de un transformador de aislamiento T3 y un puente de diodos VD15 con un filtro suavizante C21. El circuito R34VD14 limita el voltaje máximo en la puerta del transistor de efecto de campo a 15 V. En la versión original, el convertidor está montado en una caja metálica de tamaño adecuado: 200x120x120 mm. La apariencia del dispositivo se muestra en la Fig. 6.
Todos los componentes funcionales del convertidor se ensamblan en placas de circuito impreso separadas, a excepción de los elementos de potencia. Se debe prestar especial atención a la topología del diseño de la placa de circuito impreso del controlador PWM, tratando de evitar la proximidad de los conductores de los circuitos de entrada y salida y, si es posible, minimizar su longitud. Recomiendo hacer la placa de circuito impreso para esta unidad con lámina de fibra de vidrio de doble cara, utilizando lámina de un lado como cable común. Los elementos combustibles VT1 - VT4 del inversor de alta frecuencia, así como el transformador T1, los condensadores C1, C2 y los elementos amortiguadores VD2, VD3, R1, C3 están montados en la pared trasera de la carcasa, hecha de una placa sólida de duraluminio con dimensiones. de 120x120 mm y un espesor de 8 mm. La instalación se realiza con hilo de cobre (barra) de sección 10 mm2. La pared trasera exterior está equipada con aletas dispuestas verticalmente, por lo que la superficie de trabajo efectiva del disipador de calor resultante es de unos 600 cm2. El espacio restante en la pared trasera del dispositivo está reservado para los terminales de conexión de la batería y el fusible FU1. Los transistores VT5-VT8 están equipados con pequeños disipadores de calor, cada uno con un área de aproximadamente 50 mm==2. En lugar de los transistores IRFZ34N (VT1-VT4) indicados en el diagrama, IRFZ44, BUZ11, KP723A o cualquier otro MOSFET con canal n inducido, una corriente de drenaje máxima de al menos 35 A, un voltaje máximo de drenaje a fuente de al menos 55 V y una resistencia de canal abierto de no más de 0,04 ohmios. En lugar de transistores IRF820 (VT5-VT8), está permitido utilizar IRF830, BUZ90, KP707B1 u otras estructuras correspondientes con una corriente de drenaje máxima de al menos 2 A y un voltaje máximo de fuente de drenaje de al menos 400 V. Transistores KT972A ( VT9-VT12) son intercambiables con KT829A o KT315 +KT815 compuesto con cualquier índice de letras. En lugar de los transistores restantes, puede utilizar cualquier bipolar de baja potencia con la estructura adecuada. Los diodos KD226G (VD4-VD7) se pueden reemplazar por KD226D. Condensadores de óxido C1, C2, C5, C6 - K50-24, K50-27, capaces de funcionar en circuitos con importantes ondulaciones de corriente. El resto de los condensadores de óxido utilizados en el dispositivo son K50-6, K50-16, K53-14A, no polares, cualquier cerámica, por ejemplo, KM-5, KM-6, K10-17. El interruptor Q1 es cualquiera, diseñado para una corriente nominal de al menos 20 A. El relé de corriente K1 se fabrica sobre la base de un interruptor de láminas KEM-1 o similar con un par de contactos normalmente abiertos, que tiene el menor tiempo de respuesta posible. El interruptor de láminas se coloca en un tubo cilíndrico de pared delgada de material no magnético de diámetro adecuado. Sobre el tubo se enrolla un devanado de relé que contiene una o dos vueltas. El número exacto de vueltas se selecciona durante la configuración. El estrangulador L1 está fabricado sobre la base del núcleo magnético B28 de ferrita M2000NM. El devanado se enrolla en el marco de la bobina hasta que se llena con alambre PEV-2 0,9. Durante el montaje, se coloca una junta de material no magnético de 0,1 mm de espesor entre las partes del circuito magnético. La inductancia de dicho estrangulador es de aproximadamente 1 mH. El transformador T1 está enrollado sobre dos núcleos magnéticos anulares K65x40x6 plegados de ferrita M4000NM. El devanado I contiene 2x6 vueltas de 60 conductores PEV-2 0,35 y el devanado II contiene 220 vueltas de cable PEV-2 0,9. Antes de enrollar, se deben redondear los bordes afilados del núcleo magnético. El devanado II se enrolla primero, vuelta a vuelta. Luego se coloca el aislamiento entre devanados, encima del cual se coloca el devanado I. Para reducir la inductancia de fuga, se enrolla en dos cables (en dos haces de 60 conductores cada uno) y se distribuye uniformemente a lo largo del núcleo magnético. Para el devanado primario se puede utilizar un haz formado a partir de una trenza de blindaje de cobre de un cable coaxial de sección adecuada (5...7 mm2). Para garantizar el aislamiento entre espiras, el haz se coloca en un tubo de material aislante (por ejemplo, cloruro de polivinilo) de un diámetro adecuado. El punto medio del devanado primario se obtiene conectando el comienzo de un medio devanado con el final del otro. El transformador T2 está fabricado sobre un anillo K28x16x9 fabricado en ferrita M2000NM. Los devanados contienen: primario - 2x20 y secundario - 20 vueltas de cable PEV-2 0,4. Primero, como en el transformador T1, se enrolla el devanado secundario y encima, en dos cables, el primario. Al conectar el comienzo de un medio devanado con el final del otro, se obtiene un punto medio. Cada transformador de potencia del controlador TZ (será necesario fabricar cuatro de ellos) está enrollado en un anillo K20x12x6 hecho de ferrita M2000NM. Los devanados contienen: primario - 30, secundario - 40 vueltas de cable PEV-2 0,28. El devanado secundario se enrolla primero. Para configurar el convertidor, necesitará una fuente de voltaje CC de 10...15 V con una corriente de salida de 5...10 A. Para ello, puede utilizar un cargador de batería de automóvil, preferiblemente equipado con un dispositivo de sobrecarga de corriente de salida. proteccion. Las partes de alta y baja frecuencia del convertidor se ajustan por separado. Después de ensamblar la parte de alta frecuencia del dispositivo, debe asegurarse de que la instalación sea correcta y de alta calidad. Luego, el motor de la resistencia variable R4 se coloca en la posición superior según el diagrama. La energía se suministra al dispositivo a través de una resistencia limitadora de corriente con una resistencia de 10 ohmios y una potencia de 5 W. En este caso, la corriente sin carga no debe exceder los 300 mA y el voltaje en la salida del rectificador VD4-VD7 debe estar entre 190...200 V. Moviendo el control deslizante de la resistencia variable R4, con una resistencia de aproximadamente 0,5 ohmios, seleccione el número de vueltas para que el interruptor de láminas se active con una corriente de aproximadamente 25 A. Después de esto, el relé de corriente se conecta al dispositivo y se ajusta la parte de alta frecuencia, alimentándola desde la batería. Al aumentar gradualmente la potencia de la carga conectada al rectificador VD4-VD7 a 200 W, se controla el consumo de corriente, el voltaje de salida y las condiciones térmicas de funcionamiento del convertidor. Durante el funcionamiento a largo plazo, la temperatura del disipador de calor no debe exceder los 60 °C. En este punto, la instalación de la parte de alta frecuencia del dispositivo se puede considerar completa. La fuente de alimentación del controlador y los propios controladores no requieren ajuste durante una instalación sin errores. La configuración de la unidad de control para el inversor de baja frecuencia consiste en configurar la frecuencia del generador de reloj (100 Hz) con la resistencia de recorte R23 y la duración de la pausa entre los pulsos de salida (aproximadamente 1 ms) con la resistencia de recorte R26. Después de ensamblar toda la parte de baja frecuencia del convertidor, se aplica un voltaje constante de 10...15 V a su entrada (teniendo en cuenta la polaridad), mientras se monitorea el voltaje alterno de salida en la resistencia R6 usando un osciloscopio. La señal de salida observada debe ser rectangular, simétrica con un ciclo de trabajo de 2, sin distorsión visible. Si es necesario, realice ajustes adicionales en la duración de la pausa entre los semiciclos del meandro utilizando la resistencia de recorte R26. Esto completa la configuración de la parte de baja frecuencia del convertidor. A continuación, se conectan las partes de alta y baja frecuencia entre sí y se controla el rendimiento del convertidor en su conjunto en todo el rango de potencia, si es necesario, ajustando la tensión alterna de salida de 220 V con la resistencia variable R4. ¡El voltaje de salida debe medirse utilizando un dispositivo indicador que muestre el valor efectivo (rms)! En conclusión, me gustaría señalar que el dispositivo propuesto es fácil de adaptar a las características de salida requeridas. Al seleccionar el coeficiente de división del divisor resistivo R3-R5, es posible establecer un voltaje de salida diferente (por ejemplo, 127 V) y al cambiar las clasificaciones de los elementos C17, R24, puede obtener otros valores de frecuencia de salida. (por ejemplo, 400 Hz). Literatura
Autor: I.Poley, Yuzhno-Sakhalinsk
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