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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Potente convertidor de tensión CC estabilizado para alimentar equipos de red. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Convertidores de tensión, rectificadores, inversores El dispositivo propuesto está diseñado para alimentar equipos que funcionan desde una red de 220 V 50 Hz en condiciones de campo, así como durante un apagado de emergencia de la red de CA. El convertidor tiene un diseño de bloque. Suministra a la carga una tensión continua estabilizada de 310 V o una tensión alterna de pulso de la misma amplitud con un valor efectivo de 220 V. Añadiendo un filtro LC se puede obtener una tensión alterna de 220 V en forma sinusoidal. Los aparatos eléctricos se utilizan ampliamente en la vida cotidiana de la gente moderna. En su inmensa mayoría, la fuente de energía para ellos es una red de corriente alterna con un voltaje de 220 V. Al mismo tiempo, el suministro de energía en muchas zonas de nuestro país no es muy confiable. Se han publicado muchos artículos en la literatura de radioaficionados sobre convertidores de voltaje de batería de CC a voltaje de CA, adecuados para alimentar a los consumidores durante períodos sin voltaje en la red. Pueden funcionar según el principio de conversión de baja frecuencia [1-4] o de alta frecuencia [5, 6]. Cada uno de estos tipos de convertidores tiene sus propias características. Los de baja frecuencia tienen una gran masa y dimensiones debido al uso de un transformador de baja frecuencia. En el convertidor [3] solo se estabiliza el valor medio rectificado de la tensión de salida, pero no se estabilizan la amplitud y los valores efectivos, lo que puede provocar en algunos casos daños a las cargas alimentadas. El convertidor [4] utiliza una regulación gradual del voltaje de salida sin retroalimentación, lo que no proporciona una alta estabilidad del voltaje de salida. Los convertidores que funcionan a frecuencias ultrasónicas (decenas de kilohercios) [5, 6] son mejores en términos de peso y tamaño, pero su potencia de salida no supera los 300 W. El autor necesitaba alimentar cargas de mayor potencia. Al desarrollar el dispositivo propuesto, el autor intentó mantener las ventajas de la conversión de alta frecuencia y aumentar la potencia de salida a 1 kW. Principales características técnicas (a temperatura ambiente 13...20 °C)
El convertidor consta de cuatro bloques: un generador de alta frecuencia, cuyo circuito se muestra en la Fig. 1, un inversor de alta frecuencia con un multiplicador de voltaje rectificador (Fig. 2), un generador de baja frecuencia (Fig. 3) y un puente inversor-interruptor de baja frecuencia (Fig. 4).
El bloque generador de alta frecuencia (ver Fig. 1) contiene una unidad de control de voltaje de entrada en el transistor VT1 y el relé K1, un estabilizador de voltaje de suministro interno de 9 V en el chip DA1, un generador de pulsos con una frecuencia de 27 kHz en los elementos lógicos DD1.1. .1.2 y DD 4, unidades de retardo de frentes de pulso en los elementos VD4, R2, C5 y VD5, R3, C1.3, formadores de pulsos de control en los elementos DD1.4, DD2.3, DD2.4, DD2 con seguidores de emisor de salida en transistores VT5-VT2.1, tensión de la unidad de control de amplitud de salida en los elementos DD2.2, DDXNUMX.
El bloque inversor de alta frecuencia (ver Fig. 2) contiene una cascada push-pull en potentes transistores de efecto de campo VT6-VT9 y un transformador T1, así como un rectificador con voltaje cuadruplicado en diodos VD6-VD9 y condensadores C7-C10. Esta unidad genera una tensión estabilizada constante de 300.310 V. Si se sabe que la tensión de alimentación alterna se rectifica y suaviza en la carga, entonces dicha carga se puede conectar a esta unidad a través de un fusible con una corriente nominal de 5 A (ver nota editorial al artículo [5]). En este caso, los bloques restantes no son necesarios.
El bloque generador de baja frecuencia (ver Fig. 3) contiene un estabilizador de voltaje de suministro interno de 9 V en el chip DA2, un generador de impulsos con una frecuencia de 50 Hz en los elementos lógicos DD3.1 y DD3.2, resistencias limitadoras de corriente R18 y R19, y unidades de retardo de flanco de pulso en los elementos VD12, R20, C14 y VD13, R21, C15, controlan los formadores de pulso en los elementos DD3.3, DD3.4, DD4.3, DD4.4 con seguidores de emisor de salida en los transistores VT11 -VT14, limitador de corriente de carga en el transistor VT10 y elementos DD4.1 .4.2, DDXNUMX.
El puente inversor-conmutador de baja frecuencia (Fig. 4) contiene un puente sobre potentes transistores de efecto de campo clave VT17-VT20 y un sensor de corriente: la resistencia R33. Los pulsos de control se suministran directamente a las puertas de los transistores inferiores VT18 y VT20, y a las puertas de los transistores superiores VT17 y VT19 a través de los inversores del lado superior. Un inversor se ensambla en los elementos VT15,VT16, R30, R31, C16, VD14, VD15, el segundo en VT21, VT22, R35, R36, C17, VD16, VD17. Se suministra un voltaje constante de 310 V a una diagonal del puente y se conecta una carga a la otra a través del fusible FU1. El convertidor funciona así. Si el voltaje de la batería de suministro es superior a 10,5 V, el transistor VT1 se abre, se activa el relé K1 y, a través de sus contactos K1.1, se suministra voltaje de suministro a los estabilizadores de voltaje en los microcircuitos DA1 y DA2. Cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 10,5 V, el transistor VT1 se cierra, los contactos K1.1 se abren y cortan la alimentación a los generadores, como resultado de lo cual todos los transistores de conmutación VT6-VT9 se cierran y el convertidor se apaga. El voltaje de encendido se regula mediante la resistencia de ajuste R3. Debido al hecho de que el voltaje de encendido del relé electromagnético K1 es mayor que el voltaje de apagado, la característica del nodo en el transistor VT1 tiene una pequeña histéresis, suficiente para un uso práctico. La frecuencia de oscilación del generador en los elementos DD1.1 y DD1.2 depende de la resistencia de las resistencias R1, R2 y de la capacitancia del condensador C1. Desde las salidas antifase del generador (pines 3 y 4 del microcircuito DD1), se suministran pulsos a los nodos de retardo del borde del pulso. Además, sus caídas se transmiten casi sin demora. El tiempo de retardo de los flancos de pulso está determinado por las constantes de tiempo de los circuitos R4C2 y R5C3, que deben ser iguales. Las características de los modeladores tienen histéresis, cuyo valor depende de la relación de las resistencias de las resistencias del circuito de retroalimentación positiva (POC) R6 y R8, R7 y R9. Desde las salidas de los formadores, los pulsos de control a través de seguidores de emisor en los transistores VT2-VT5 se suministran a las puertas de los transistores clave VT6-VT9. El rectificador que utiliza diodos VD6-VD9 y condensadores C7-C10 está diseñado para cuadruplicar el voltaje por el siguiente motivo. Es aconsejable enrollar los devanados primario y secundario del transformador en una capa para reducir la inductancia de fuga. El uso de un multiplicador de voltaje permite reducir cuatro veces el número de vueltas en el devanado secundario y hacerlo de una sola capa. El voltaje de la salida del rectificador se suministra al divisor R10R11. Se suministra un voltaje proporcional desde el motor de la resistencia de recorte R11 a la entrada del nodo en los elementos DD2.1 y DD2.2 con un circuito PIC en las resistencias R12 y R13, lo que crea una característica de conmutación con histéresis. Después de encender la alimentación, el voltaje de salida del rectificador aumenta. Cuando se alcanza el umbral de conmutación superior (310 V), la salida del elemento DD2.1, conectado a los pines 9 de los microcircuitos DD1 y DD2, se establece en un nivel bajo, lo que prohíbe el paso de pulsos a los seguidores del emisor, como resultado de lo cual todos los transistores clave están cerrados. Después de esto, el voltaje de salida del rectificador disminuye debido a la descarga de los condensadores C9 y C10. Cuando cae al umbral de conmutación inferior (300 V), la salida del elemento DD2.1 se establece en un nivel alto, lo que nuevamente permite el paso de pulsos a los seguidores del emisor, como resultado de lo cual el voltaje de salida del rectificador aumentará hasta el umbral superior. Al mover el control deslizante de la resistencia de recorte R11, puede ajustar el voltaje de salida del rectificador y al seleccionar la resistencia R13, puede ajustar la diferencia en los umbrales de conmutación. Aumentar la resistencia de la resistencia R13 la reduce y disminuirla la aumenta. Los nodos del generador de baja frecuencia (ver Fig. 3) son similares a los nodos correspondientes del generador de alta frecuencia, pero la capacidad de los condensadores de temporización del generador de baja frecuencia es mayor, por lo que se agregan las resistencias R18 y R19. a él, que limitan la corriente de descarga de los condensadores C14 y C15, protegiendo las salidas del microcircuito DD3 (pines 3 y 4 ) de sobrecargas. Se ensambla una unidad de protección contra sobrecarga del convertidor en el transistor VT10, los elementos DD4.1, DD4.2 y las resistencias R25, R26, R29. Cuando la corriente de carga del convertidor excede el valor permitido, el voltaje en la resistencia R33, el sensor de corriente, aumenta a 0,7 V. En este caso, el transistor VT10 se abre, la salida del elemento DD4.2 se establece en un nivel bajo, lo que se suministra a los pines de 9 microcircuitos DD3 y DD4, como resultado, se prohíbe el paso de pulsos a los seguidores del emisor en los transistores VT11-VT14. Todos los transistores clave del puente VT17-VT20 están cerrados. El interruptor-inversor de baja frecuencia del puente (Fig. 4) funciona de la siguiente manera. Durante la pausa entre pulsos, el voltaje en las salidas de los seguidores de emisor anteriores es cero, por lo que los transistores VT16 y VT21 están abiertos y todos los demás están cerrados. Cuando llega un pulso a las puertas VT15 y VT20, estos transistores, al igual que VT17, se abren. Cuando llega un pulso a las puertas VT18 y VT22, estos transistores, al igual que VT19, se abren. Como resultado, en la salida del puente, se forman pulsos de voltaje multipolar rectangulares separados por pausas con una oscilación de 620 V y un valor efectivo de 220 V. Dado que los pulsos de control están separados por pausas, la aparición de Se excluye la corriente a través de los transistores del puente conectados en serie.
Algunos consumidores requieren una forma sinusoidal de voltaje de suministro alterno. En este caso, el conjunto generador de baja frecuencia (ver Fig. 3) se reemplaza por otro, cuyo diagrama se muestra en la Fig. 5. Este bloque utiliza un generador de voltaje sinusoidal con una frecuencia de 50 Hz en el amplificador operacional DA4.1, un inversor de fase en el amplificador operacional DA4.2, dos circuitos integradores R44C25 y R49C30, dos seguidores de emisor VT23 VT24, VT25 VT26 y dos sumadores en las resistencias R50R52R54 y R51R55R57.
La media onda positiva de voltaje sinusoidal desde la salida del OUDA4.1 a través del diodo VD21 se suministra al sumador R51R55R57. La media onda positiva de la salida del inversor de fase DA4.2 se alimenta a través del diodo VD20 al sumador R50R52R54. Desde las salidas de los sumadores, el voltaje a través de las resistencias R53 y R56 se suministra a la entrada de los formadores de pulsos DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2. Se suministran pulsos rectangulares a las entradas de los circuitos integradores y se forman pulsos en dientes de sierra en los condensadores C25 y C30, que se alimentan a través de los condensadores C26 y C31 a las entradas de dos formadores de pulsos. Diagramas de tensión en la Fig. 6 muestran cómo los pulsos en las entradas de los formadores se suman durante un período de frecuencia de 50 Hz. Para mostrar claramente la forma de los pulsos, se amplía el período de llenado de alta frecuencia (27 kHz). En la Fig. 6,a - voltaje en el pin 8 del chip DD5; en la Fig. 6, b - en el pin 8 del chip DD6. Como resultado, en las salidas de los conformadores se forman secuencias de pulsos con una frecuencia PWM sinusoidal de 50 Hz: en la Fig. 6,c - en la salida DD5,2; en la Fig. 6,g - en la salida de DD6.2. En la salida del convertidor “~220 V”, se genera una señal PWM bipolar con una oscilación de 620 V, cuya forma se muestra en la Fig. 6, d. Para suprimir el componente con una frecuencia de 27 kHz en el voltaje de salida, es necesario encender el inductor en serie con la carga y un condensador en paralelo con la carga. Estos elementos se seleccionan experimentalmente para cada carga. Por ejemplo, una carga de 100 W (su resistencia es de 484 Ohmios) requiere un filtro con un inductor de 0,13 H y un condensador de 0,56 μF. Con diferentes resistencias de carga, la inductancia del inductor se recalcula en proporción directa y la capacitancia del condensador es inversamente proporcional a la resistencia de la carga. Todas las piezas del convertidor están alojadas en una carcasa de chapa de aluminio. Los transistores VT6-VT9, VT17-VT20 se fijan a la carcasa mediante pasta termoconductora y juntas de mica. Los transistores IRFIZ44N (VT15 y VT22) se instalan sin juntas, ya que sus carcasas están completamente aisladas. Se pueden reemplazar por IRFZ44N, pero luego se deben instalar mediante espaciadores de mica.
El ventilador de la fuente de alimentación de la computadora con un motor eléctrico M1 de 3 W sopla aire constantemente a través de la carcasa para enfriar las piezas. Para reducir el consumo de energía durante cargas de baja potencia, el ventilador se puede apagar usando el interruptor SA1. El transformador T1 está enrollado en cuatro núcleos magnéticos plegados entre sí desde un transformador de línea TVS-110, como se muestra en la Fig. 7. Los números indican: 1 - alambre enrollado; 2 - circuito magnético; 3 - abrazadera que aprieta el circuito magnético. Los devanados primarios (I y II) contienen cuatro secciones de tres vueltas de cable con una sección transversal de 5 mm2 (dos cables de montaje de 2,5 mm2 plegados juntos). El devanado secundario (III) contiene dos secciones de 11 vueltas de cable de montaje con una sección transversal de 1,5 mm2. Las vueltas de los devanados deben distribuirse uniformemente a lo largo del núcleo magnético y los devanados deben ser de una sola capa. El resto de elementos se montan en dos tableros separados mediante montaje en superficie. Un tablero con los elementos que se muestran en la Fig. 1, está ubicado muy cerca de los transistores clave (ver Fig. 2). Un tablero con los elementos que se muestran en la Fig. 3, - junto a los transistores del puente inversor-interruptor de baja frecuencia (ver Fig. 4). Es recomendable utilizar un condensador de óxido C6 importado de la categoría "Low ESR", por ejemplo, Jamicon WL o similar. De lo contrario se calentará. Los condensadores rectificadores C7-C10 deben tener una potencia reactiva permitida suficientemente grande. El dispositivo utiliza condensadores MBGCH. A cada uno de ellos se conecta en paralelo un condensador cerámico sin inducción KM-3 del grupo N30 con una capacidad de 0,022 μF y una tensión nominal de 250 V. Las resistencias recortadoras son de la serie SP3-1b. Antes de instalarlos, es necesario verificar la capacidad de servicio del sistema de contactos móviles. El relé K1 debe tener un voltaje de funcionamiento no superior a 10 V. El autor utilizó el relé RES59 (versión HP4.500.020). Al configurar, en lugar de una batería, utilice una fuente de alimentación de laboratorio con un voltaje de salida ajustable de 10.13 V. Se aplica un voltaje de 10,5 V a la entrada del convertidor y la resistencia R3 se utiliza para apagar el relé K1. Luego, el voltaje de entrada se aumenta a 12 V. Al seleccionar las resistencias R1 y R2 (ver Fig. 1), se establece la misma duración del pulso de 18,5 μs en los pines 3 y 4 del microcircuito DD1. Al seleccionar las resistencias R4 y R5, la duración de la pausa entre estos pulsos se establece en 5 μs. El controlador de la resistencia de recorte R11 es un voltaje de +305 V con una potencia de carga de 60 W en la salida del rectificador VD6-VD9C7-C10 (ver Fig. 2). Al seleccionar las resistencias R16 y R17 (Fig. 3), se establece la misma duración del pulso de 10 ms en los pines 3 y 4 del microcircuito DD3. Al seleccionar las resistencias R20 y R21, la duración de la pausa entre estos pulsos es de 6 ms. El bloque, cuyo diagrama se muestra en la Fig. 5, configúrelo así. Mueva el control deslizante de la resistencia de sintonización R39 hacia abajo en el circuito para que el generador del amplificador operacional DA4.1 deje de funcionar. Al seleccionar los condensadores C25 y C30, la oscilación del voltaje en diente de sierra a través de ellos se establece en 4 V. Reemplace temporalmente las resistencias permanentes R52 y R55 con recortadores de 15 kOhm conectados como reóstatos. Primero, su resistencia se reduce suavemente desde el máximo hasta que aparecen pulsos en la salida de los seguidores del emisor, luego se aumenta hasta que desaparecen. Mida la resistencia de la parte introducida de las resistencias de recorte con un óhmetro digital y sustitúyalas por constantes de la misma resistencia. Después de esto, mueva el control deslizante de la resistencia de recorte R39 hacia arriba en el circuito, ajustando la amplitud del voltaje en la salida del generador a 4 V. En este caso, el voltaje de salida debe tener la forma de una sinusoide ligeramente truncada. Si es necesario, al seleccionar los condensadores C18 y C22, debe configurar la frecuencia de generación en 50 Hz. Luego, al seleccionar las resistencias R50 y R51, la amplitud de la media onda es de 4 V en las resistencias R54 y R57. Para mejorar el funcionamiento del generador en el amplificador operacional DA4.1, puede ser necesario incluir un condensador de 47 pF entre el terminal derecho de la resistencia R40 y el cable común. Las fuentes de energía del convertidor pueden ser baterías de arranque de automóviles, la red de a bordo del automóvil, baterías de tracción para vehículos eléctricos, paneles solares, generadores eólicos o hidráulicos. Si es necesario, se puede duplicar la tensión de alimentación. Para ello, los devanados primarios (I y II) del transformador T1 deben contener cuatro secciones de seis vueltas de cable de montaje con una sección transversal de 2,5 mm2. El autor utiliza un generador de gas casero fabricado con una motosierra de los Urales y un generador eléctrico con una tensión de salida de 12 V y una potencia de 1 kW de un tractor T-150, que están conectados entre sí mediante una transmisión por correa trapezoidal. En términos de relación potencia-peso, este generador de gas supera a muchos diseños industriales. Su peso ligero y sus dimensiones permiten llevarlo de viaje y, si es necesario, cargar la batería del coche en el campo. Un convertidor de voltaje alimenta cualquier equipo con una potencia de hasta 1 kW. Literatura
Autor: A. Sergeev
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