Автор: Штерн М.И.
Теги: электротехника схемотехника силовая электроника
ISBN: 978-5-94387-870-1
Год: 2017
Текст
УДК 621.314:621.311.6
Штерн М. И.
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Расчеты и схемотехника. - СПб.: Наука и Техника, 2017. -
400 с: ил.
ISBN 978-5-94387-870-1
Силовая электроника прочно вошла в нашу повседневную жизнь. Эта книга позволит детально с
этим разделом электроники познакомится. Начинается знакомство с расчетов, основы любого кон-
струирования. А далее рассматривается практическая схемотехника устройств силовой электроники
(источников питания, стабилизаторов, преобразователей напряжения, регуляторов напряжения,
сварочных инверторов и др.). Импульсные схемы отличают высокая производительность, улучшен-
ная стабилизация напряжения и малые габариты. Поэтому они заслуженно сменяют, в ряде случаев,
своих линейных собратьев.
Каждой группе устройств посвящены отдельные главы. Представленные схемные решения не по-
вторяют друг друга, интересны, содержат определенные элементы оригинальности. Рассмотренные
в книге схемы устройств силовой электроники построены на недорогих компонентах, ко многим из
них указаны доступные аналоги. Для удобства восприятия информации описание устройств силовой
электроники идет по единой схеме. Будут полезны ссылки на первоисточники лучших конструкций.
В книге имеются как сложные,так и простые схемы для широкого применения в самых разнообраз-
ных радиолюбительских конструкциях. Все устройства, рассмотренные в книге, были проверены их
авторами на практике, демонстрировались на выставках, были отмечены призами и дипломами.
Книга предназначена для широкого круга радиолюбителей, позволяет освоить основы силовой
электроники, выбрать для самостоятельного изготовления и рассчитать подходящую схему источника
питания, стабилизатора, преобразователя напряжения практически для любых устройств.
К книге прилагается виртуальный обновляемый диск, размещенный на облачном сервере. Адрес
указан на сайте издательства www.nit.com.ru на странице данной книги. На диске размещена об-
ширная информация по радиоэлектронным компонентам, используемым в силовой электронике
(о диодах, транзисторах, микросхемах, пассивных компонентах и др.). Приведены каталоги зару-
бежных производителей элементов РЭА, программы по электротехнике и электронике для Android,
другая полезная справочная информация.
Автор и издательство не несут ответственности
за возможный ущерб, причиненный в ходе
использования материалов данной книги.
Контактные телефоны издательства
(812)412-70-25,412-70-26
9 78 5 94 3 878701
ISBN 978-5-94387-870-1
Официальные сайты: www.nit.com.ru
www.nit-kiev.com
© Штерн М. И.
© Наука и Техника (оригинал-макет), 2017
000 «Наука и Техника».
Лицензия № 000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать 9.11.2016. Формат 70*100 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 25 п. л.
Тираж 1000 экз. Заказ № 8461.
Отпечатано с готовых файлов заказчика
в АО «Первая Образцовая типография»
филиал «УЛЬЯНОВСКИЙ ДОМ ПЕЧАТИ»
432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14
СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 9
1.1. Расчет простых элементов электрической защиты 9
Расчет необходимого предела срабатывания защиты цепи 9
Условия выбора предохранителя в трехфазных цепях (нагрузки) 10
Табличный способ определения необходимого диаметра проволоки
для защиты цепи 10
Расчет диаметра медной проволоки для защиты цепи 11
Определение диаметра проволоки без использования микрометра 12
1.2. Определение емкости гасящих конденсаторов
и расчеты стабилизирующих транзисторных каскадов источников питания 13
Расчет емкости конденсатора при последовательном включении с нагрузкой 13
Расчет емкости балансного конденсатора
в бестрансформаторном источнике питания 15
Расчет гасящего конденсатора, применяемого вместо резистора 17
Расчет стабилизирующего транзисторного каскада 21
1.3. Расчеты катушек индуктивности 23
Магнитные материалы и их свойства 23
Типоразмеры сердечников и их характеристики 26
Расчет индуктивности с использованием табличных данных 28
Расчет индуктивности без использования табличных данных 29
1.4. Расчеты трансформаторов 32
Габаритная мощность магнитопровода 32
Принудительное перемагничивание магнитопровода 33
Увеличение индуктивности рассеяния 35
1.5. Расчеты дросселей 35
1.6. Расчеты силовых трансформаторов 37
Принцип действия трансформатора 37
Конструкция силового трансформатора 39
Расчет силового трансформатора 40
1.7. Расчет понижающего сетевого трансформатора источника питания 42
Этапы расчета трансформатора 42
Выбор магнитопровода 43
Размеры магнитопроводов 44
Варианты размещения катушек на магнитопроводе 46
Материалы магнитопроводов 49
Исходные данные для расчета трансформатора 51
Расчет магнитопровода трансформатора 52
Расчет обмоток трансформатора 53
Расчет мощности потерь 57
Изготовление трансформатора 58
Проверка трансформатора 59
1.8. Расчет автотрансформатора 59
1.9. Расчеты силовых трансформаторов и автотрансформаторов 61
1.10. Расчет трансформаторов импульсных источников питания 66
Принцип действия импульсных источников питания 66
Исходные данными для расчета 74
Порядок расчета 75
1.11. Компьютерный расчет трансформатора 80
Факторы, влияющие на расчет трансформатора 80
Бесплатная программа расчета трансформатора Transformer 2.0.0.0 80
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
1.12. Расчет схем выпрямителей 81
1.13. Упрощенный расчет выпрямителя 85
1.14. Расчет фильтров высоких и низких частот 89
Назначение фильтров 89
Характеристики частотных фильтров 89
Расчет фильтров в Microsoft Excel 90
Разновидности фильтров 90
Расчет RC Г-образных фильтров 90
Расчет RL Г-образных фильтров 92
Расчет LC Г-образных фильтров 94
Расчет Т-образных фильтров 95
Расчет П-образных фильтров 96
Расчет полосовых резонансных фильтров 98
1.15. Расчет стабилизаторов напряжения 99
Схема стабилизатора напряжения: принцип действия 99
Порядок расчета стабилизатора напряжения 102
Подбор транзистора для стабилизатора 105
Пример расчета стабилизатора напряжения 105
1.16. Компенсационный стабилизатор напряжения и его расчет 107
Причины нестабильности питания и меры борьбы с ними 107
Расчет компенсационного стабилизатора последовательного типа 107
1.17. Расчет стабилизированного источника питания 111
Принципиальная схема и ее работа 111
Расчет стабилизатора напряжения 113
Полезные дополнения к разделу 116
1.18. Расчет радиатора для стабилизаторов напряжения 117
Методика выбора радиатора 117
Пример расчета радиатора для ИМС LM7805 (КР142ЕН5В) 118
Определение площади ребристого радиатора 119
1.19. Характеристики электродвигателей и простейшие расчеты 120
Постоянная момента электродвигателя 120
Вращающий момент электродвигателя 120
Начальный пусковой момент - момент электродвигателя при пуске 120
Постоянная ЭДС 121
Постоянная электродвигателя 121
Жесткость механической характеристики двигателя 122
Частота вращения 122
Механическая характеристика 122
Момент инерции ротора 122
Механическая постоянная времени 123
Электрическая постоянная времени 123
Напряжение электродвигателя 123
Мощность электродвигателя постоянного тока 124
Баланс мощностей для электродвигателей постоянного тока 124
Потери в электродвигателе 125
Коэффициент полезного действия электродвигателя 125
1.20. Указатель журнальных статей по расчетам элементов силовой электроники 126
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 131
2.1. Принцип действия трансформаторных источников питания 131
2.2. Лучшие конструкции трансформаторных источников питания 136
Стабилизированный источник питания +3,4...6 В /3...5 В 100 мА
(DC-DC Step-Down +3,4...6/3...5 V) 136
Стабилизированный источник питания с регулирующим транзистором в мину-
совом проводнике +ЗД..6 В /3...5 В 100 мА (DC-DC Step-Down+3,4...6 /3...5 V)... 138
Содержание 5
Стабилизированный источник питания -220 В /3; 4; 5; 6; 7,5; 9; 12 В 250 мА
(AC-DC Step-Down -220/3; 4; 5; 6; 7,5; 9; 12 V) 139
Стабилизированный источник питания на ИМС142ЕН1Г
+9 В /5 В 500 мА (DC-DC Step-Down +9/5 V) 141
Стабилизированный источник питания 14...20 В /12 В 500 мА
(DC-DC Step-Down -220/12 V) 142
Стабилизированный источник питания -220 В /0... 12 В 500 мА
(AC-DC Step-Down -220/0...12 V) 144
Стабилизированный источник питания +7...30 В/5 В 500 мА
(DC-DC Step-Down +7...30/5 V) 148
Стабилизированный источник питания с плавной инверсией
выходного напряжения +12...15 В/±5 В 500 мА
(DC-DC Step-Down +12...15/±5 V) 148
Стабилизированный источник питания +9...25 В/5 В 700 мА
(DC-DC Step-Down +9...25/5 V) 150
Стабилизированный источник питания +6...8 В/5 В 1000 мА
(DC-DC Step-Down +6...8/5 V) 151
Стабилизированный источник питания +16...20 В /12 В 1000 мА (
DC-DC Step-Down +16...20/12 V) 152
Стабилизированный источник питания -220 В/+9...25 В 1000 мА
(AC-DC Step-Down -220/+9...25 V) 154
Стабилизированный источник питания
-220 В/+ 5; 9; 12 В1000 мА (AC-DC Step-Down -220/+ 5; 9; 12 V) 157
Стабилизированный источник питания с плавной регуляцией -220 В /±12 В 1000 мА
(AC-DC Step-Down -220/±12 V) 158
Стабилизированный источник питания -220 В /4...12 В 1500 мА
(AC-DC Step-Down -220/4...12 V) 160
Стабилизированный источник питания -220 В /11,5...14 В 4000 мА
(AC-DC Step-Down -220/11,5...14 V) 163
Стабилизированный источник питания +60 В/5...30 В 5000 мА
(DC-DC Step-Down +60/5...30 V) 164
Стабилизированный источник питания +60 В/3...50 В 5000 мА
(AC-DC Step-Down +60/3...50 V) 165
Мощный источник питания 12 В и током нагрузки до 6000 мА 168
Стабилизатор напряжения 20 В и током нагрузки до 7000 мА 169
Стабилизированный источник питания +24 В/14 В 10 000 мА
(DC-DC Step-Down +24/14 V) 170
Стабилизированный источник питания -220 В/14 В 20 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/14 V) 171
Стабилизированный источник питания -220 В/12 В 20 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/12 V) 173
Стабилизированный источник питания -220 В/0...15 В 20 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/0...15 V) 174
Стабилизированный источник питания на ИМС КР142ЕН19
-220 В/13 В 20 000 мА (AC-DC Step-Down -220/13 V) 175
Стабилизированный источник питания на дискретных элементах
-220 В/13,5 В 20 000 мА (AC-DC Step-Down -220/13,5 V) 177
Стабилизированный источник питания -220 В/14 В 200 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/14 V) 178
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания
и преобразователей напряжения 184
3.1. Принцип действия бестрансформаторных источников питания 184
3.2. Лучшие конструкции бестрансформаторных источников питания 184
Стабилизированный источник питания -220 В /3 В 500 мА
(AC-DC Step-Down -220/3 V) , 184
Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель-220 В/3...5 В
(AC-DC Step-Down -220/3...5 V) 186
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Бестрансформаторный источник питания -220 В/5 В 300 мА
(AC-DC Step-Down -220/5 V) 187
Бестрансформаторный источник бесперебойного питания
-220 В /1,4 В 1 мА (AC-DC Step-Down -220/1,4 V) 188
Бестрансформаторный стабилизированный источник питания
-220 В Д..8,5 В (AC-DC Step-Down -220/7..Д5 V) 189
Бестрансформаторное зарядное устройство
-220 В/14 В 7000 мА (AC-DC Step-Down -220/14 V) 190
Бестрансформаторный регулируесый стабилизированный источник питания
-220 В /16...26 В 100 мА (AC-DC Step-Down -220/16...26 V) '. 195
Бестрансформаторные мощные источники питания с ШИМ
стабилизатором -220 В /11,6 В (AC-DC Step-Down -220/11,6 V) 197
Бестрансформаторные источники питания с симметричным динистором
-220 В/9 В 60 мА (AC-DC Step-Down -220/9 V) 199
Бестрансформаторный высоковольтный преобразователь
-220 В/1500 В 60 мА (AC-DC Step-Up -220/1500 V) 201
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 202
4.1. Принцип действия импульсных источников питания 202
Достоинства и недостатки 202
Структурные схемы импульсных источников питания 204
4.2. Лучшие конструкции импульсных источников питания 207
Импульсный источник питания -220 В /=5 В 6 000 мА (AC-DC Step-Down -220/=5 V)... 207
Импульсный источник питания -220 В /=5 В100 мА (AC-DC Step-Down -220/=5 V) 213
Импульсный источник питания -220 В /=9 В 3 000 мА (AC-DC Step-Down -220/=9 V)... 216
Импульсный источник питания -220 В /=5 В 4 000 мА (AC-DC Step-Down -220/=5 V)... 218
Импульсный источник питания -220 В/=12, ±50 В 800 Вт
(AC-DC Step-Down -22O/=12,±5O V) 221
Импульсный источник питания -220 В/=15 В регулируемое
(AC-DC Step-Down -220/=15 V var) 226
Импульсный источник питания -220 В/±25, =20, =10 В
(AC-DC Step-Down -220/±25, =20, =10 V) 230
Импульсный источник питания -220 В /±25 В 280 Вт (AC-DC Step-Down -220/±25 V)... 232
Импульсный источник питания -220 В /±30 В 200 Вт (AC-DC Step-Down -220/±30 V)... 234
Импульсный источник питания -220 В /±60 В (AC-DC Step-Down -220/±60 V) 236
Импульсные источник и питания -220 В /=18 В (=5 В)
(AC-DC Step-Down -220/=18 V (=5 V)) 239
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное 245
5.1. Принцип действия преобразователей постоянного напряжения в постоянное 245
5.2. Лучшие конструкции преобразователей постоянного напряжения в постоянное 248
Преобразователь напряжения 2 В в 5 В (DC-DC Step-Up 2/5 V) 248
Преобразователь напряжения 9 В в 400 В (DC-DC Step-Up 9/400 V) 249
Преобразователь напряжения 3-12 В в 9 В (DC-DC Step-Up/Down 3-12/9 V) 249
Преобразователь напряжения 5-15 В в 10-30 В
(DC-DC Step-Up 5-15 /10-30 V) 251
Преобразователь напряжения 6-9 В в 20 В (DC-DC Step-Up 6-9/20 V) 252
Преобразователь напряжения с 9 В до 16 В (DC-DC Step-Up 9/16 V) 253
Преобразователь напряжения с 12 В до 30 В (DC-DC Step-Up 12/30 V) 254
Преобразователь напряжения 4,5-9 В в 18-27 В (DC-DC Step-Up 4,5-9/18-27 V).. 255
Преобразователь напряжения 12 В в ±12 В (DC-DC Step-Inverter 12 В /±12 V) 260
Преобразователь напряжения 1,5 В в 9 В (DC-DC Step-Up 1,5/9 V) 261
Преобразователь напряжения 5 В в ±8,5 В (DC-DC Step-Up/Inverter 5/±8,5 V) 263
Преобразователь напряжения 3,6 В в 10,8 В (DC-DC Step-Up 3,6/10,8 V) 264
Преобразователь напряжения 12 В в 15-50 В (DC-DC Step-Up 12/15-50 V) 266
Содержание 7
Преобразователь напряжения 12 В в ±30 В (DC-DC Step-Up/Inverter 12/±(25 -30) V)... 269
Преобразователь напряжения 12 В в 350 В (DC-DC Step-Up 12/350 V) 269
Преобразователь напряжения 12 В в 15-27 В (DC-DC Step-Up 12/15-27 V) 271
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное 273
6.1. Принцип действия преобразователей постоянного напряжения в переменное (DC-AC
конвертеров) 273
6.2. Лучшие конструкции преобразователей постоянного напряжения в переменное 274
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)... 274
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-220 V 50 Hz)... 276
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-220 V 50 Hz)... 278
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-220 V 50 Hz)... 279
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-220 V 50 Hz)... 280
Преобразователь напряжения =12 В в -220-500 В 50-400 Гц
(DC-AC Step-Up =12/-220-500 V 50-400 Hz) 281
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-22O V 50 Hz)... 282
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 80 Гц (DC-AC Step-Up =12/-22O V 80 Hz)... 285
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-220 V 50 Hz)... 288
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц (DC-AC Step-Up =12/-220 V 50 Hz)... 289
Преобразователь напряжения =13,6 В в -36,-127,-220 В
(DC-AC Step-Up =12/-36,-127,-220 V) 290
Глава 7. Схемотехника преобразователей переменного напряжения в импульсное 293
7.1. Принцип действия преобразователей переменного напряжения в импульсное 293
7.2. Лучшие схемы преобразователей переменного напряжения в импульсное 297
Источник питания для ионизатора 297
Мощный преобразователь напряжения 12 В - 350 В с генератором импульсов.. 298
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения 301
8.1. Особенности схем, построенных на интегральных стабилизаторах напряжения 301
8.2. Лучшие конструкции на интегральных стабилизаторах напряжения 302
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142, защищенный
от повреждения разрядным током конденсаторов 302
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 со ступенчатым включением 303
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
с выходным напряжением повышенной стабильности 304
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
с регулируемым выходным напряжением от 0 до 10 В 304
Стабилизаторы напряжения на ИМС КР142
с внешними регулирующими транзисторами 305
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 с высоким коэффициентом стабилизации... 308
Двуполярный стабилизатор напряжения на основе однополярной микросхемы . 308
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 с регулируемым выходным напряжением .. 309
Импульсный стабилизатор напряжения на ИМС КР142 310
Стабилизатор тока на ИМС КР142 для зарядки
аккумуляторной батареи напряжением 12 В 311
Стабилизатор тока на ИМС КР142
для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 6 В 311
8.3. Принцип действия импульсных стабилизаторов напряжения 312
8.4. Лучшие конструкции стабилизаторов напряжения на различной элементной базе ... 312
Релейный стабилизатор напряжения 312
Ключевой стабилизатор напряжения 5В2А 316
Широтно-импульсный стабилизатор 5ВЗА 316
Импульсный понижающий стабилизатор 5 В 5 А, 10 В 2 А. 321
Импульсный стабилизатор 12 В 4,5 А 321
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока 327
9.1. Принцип действия трансформаторных источников сварочного тока 327
9.2. Лучшие конструкции трансформаторных источников сварочного тока 331
Сварочный трансформатор со ступенчатой регулировкой тока 331
Сварочный источник с резонансным конденсатором 336
Сварочный источник переменного тока с плавной регулировкой 338
Сварочный источник постоянного тока с электронной регулировкой 342
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 348
10.1. Принцип действия инверторных сварочных источников 348
10.2. Лучшие конструкции инверторных источников сварочного тока 349
Однотактный прямоходовый преобразователь 349
Двухтактный мостовой преобразователь 353
Простой самодельный инверторный сварочный источник 355
Сварочный инвертор на одном транзисторе 371
Сварочный источник Большакова 383
Список литературы и Интернет-ресурсов 394
Описание виртуального диска «Силовая электроника» 399
ГЛАВА 1
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА: РАСЧЕТЫ ОТ А ДО Я
1.1. Расчет простых элементов
электрической защиты
Расчет необходимого предела срабатывания защиты цепи
Определение.
Плавкий электрический предохранитель - простейшее устрой-
ство, предназначенное для отключения защищаемой цепи при
превышении заданного тока путем расплавления тонкой метал-
лической проволочки, включенной последовательно с нагрузкой.
Расчет простейшей защиты цепи — предохранителя ведется с учетом
нескольких факторов:
♦ тока короткого замыкания в нагрузке;
♦ допустимого нагрева проводников;
♦ допустимого уменьшения напряжения (не более 4—5 %);
♦ с учетом потребностей самого потребителя.
Выделенная в ходе протекания электрического тока через прово-
дники теплота должна рассеиваться в окружающую среду, не повреждая
при этом каких-либо частей и/или составляющих проводящих частей
электрооборудования [178].
Расчет номинального тока срабатывания предохранителя рассчиты-
вается по формуле:
1nom т т 9
где Inom — номинальный ток срабатывания предохранителя, А; Ртах —
максимальная мощность нагрузки, Вт (с запасом примерно 20 %);
U — напряжение сети, В.
Совет.
Предохранитель следует выбирать из стандартного ряда с бли-
жайшим номинальным током срабатывания, превышающим полу-
ченное значение.
10
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Обязательно следует учитывать пусковые токи нагрузки потреби-
теля при выборе характеристики.
Условия выбора предохранителя
в трехфазных цепях (нагрузки)
Для трехфазного электрического приемника без пусковых токов
(нагреватель и др.)
*вст ' *
дл.расч.#
др
Для трехфазного электрического приемника с пусковым током
где Кп = 5—8 (обычно 7) — коэффициент пуска электродвигателя
Спуска= Кп" Jhom); a — коэффициент тяжести пуска: 1,6 — тяжелый, 2 —
средний, 2,5 — легкий пуск.
Должно выполняться неравенство:
1к.з^3-1вст.,
где 1К з. — ток короткого замыкания (в защищаемом участке цепи).
Табличный способ определения необходимого диаметра
проволоки для защиты цепи
Если вам не хочется использовать формулы, то для выбора матери-
ала и диаметра проволоки для предохранителей можно использовать
табличные значения. В табл. 1.1 и табл. 1.2 приведены данные, полу-
ченные многолетним опытным путем.
Таблицы для выбора диаметра проволоки в зависимости от тока
защиты предохранителя можно найти, например, в [45,118].
Значения диаметра провода для ремонта предохранителей
на ток защиты от 0,25 до 50 А
Ток защиты
предохранителя, А
0,25
0,5
1
2
5
5
7
10
15
20
25
Диаметр медной
проволоки, мм
0,02
0,03
0,05
0,09
0,11
0,16
0,2
0,25
0,33
0,40
0,46
Диаметр
алюминиевой
проволоки, мм
-
0,04
0,07
0,10
0,14
0,19
0,25
0,30
0,40
0,48
0,56
Диаметр стальной
проволоки, мм
-
0,06
0,12
0,20
0,25
0,35
0,45
0,55
0,72
0,87
1,00
Таблица 1.1
Диаметр
оловянной
проволоки, мм
-
0,11
0,18
0,28
0,38
0,53
0,66
0,85
1,02
1,33
1,56
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
11
Таблица 1.1 (продолжение)
Ток защиты
предохранителя, А
30
35
40
45
50
Лиамотп молипй
диаметр медной
проволоки, мм
0,52
0,58
0,63
0,68
0,73
Диаметр
алюминиевой
проволоки, мм
0,64
0,70
0,77
0,83
0,89
Диаметр стальной
проволоки, мм
1,15
1,26
1,38
1,50
1,60
Диаметр
оловянной
проволоки, мм
1,77
1,95
2,14
2,30
2,45
Значения диаметра провода для ремонта предохранителей
на ток защиты от 60 до 300 А
Ток защиты
предохранителя,
60
70
80
90
100
120
160
180
200
225
250
275
300
Диаметр медной
проволоки, мм
0,83
0,91
1,00
1,08
1Д6
1.31
1,59
1,72
1,84
1,99
2,14
2,28
2,41
Диаметр
проволоки, мм
1,00
1,10
1,22
1,32
1,42
1,60
1,94
2,10
2,25
2,45
2,60
2,80
2,95
Диаметр
стальной
проволоки, мм
1,80
2,00
2,20
2,38
2,55
2,85
3,20
3,70
4,05
4,40
4,70
5,00
5,30
Таблица 1.2
Диаметр
оловянной
проволоки, мм
2,80
3,10
3,40
3,65
3,90
4,45
4,90
5,80
6,20
6,75
7,25
7,70
8,20
Расчет диаметра медной проволоки для защиты цепи
Для определения более точных значений диаметра медной прово-
локи для ремонта предохранителя, или, если требуется предохранитель
на ток защиты, значения которого нет в таблице, можно воспользо-
ваться ниже приведенной формулой:
/
где 1пр — ток защиты предохранителя, A; d — диаметр медной прово-
локи, мм.
Существует еще одна формула расчета плавкого предохранителя на
ток до 10 А [159] для тонкой медной проволочки диаметром от 0,02 до
0,2 мм (без толщины изоляции), ток плавления (в амперах) рассчитыва-
ется по приближенной формуле:
12 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Iroi = (d-0,005)/0,034,
где d — диаметр металлического (медного) проводника в мм.
Внимание.
НЕЛЬЗЯ ПРИМЕНЯТЬ в сетях общего пользования самодельные
некалиброванные плавкие вставки в качестве «жучков» вместо
заводского предохранителя, чтобы не нарушать правила электро-
и пожаробезопасности.
В радиолюбительской аппаратуре применение предохранителей-
самоделок допустимо только в случае достаточной индуктивности на
входе (трансформатор или дроссель), если их нет — следует ставить
быстродействующую электронную схему защиты.
Внимание.
Гарантийная бытовая техника после вставки в нее любой «само-
делки» может быть не принята в ремонт по гарантии, в случае
ее поломки.
Определение диаметра проволоки
без использования микрометра
Диаметр тонкого провода лучше всего измерять микрометром.
Если под рукой нет микрометра для измерения диаметра проволоки,
то можно воспользоваться обыкновенной
линейкой, рис. 1.1 [118].
Нужно намотать 10—20 витков к витку
проволоки на линейку, поделить количество
закрытых миллиметров на количество намо-
танных витков. Получите диаметр.
И Пример.
Намотано 10 витков провода, кото-
рые закрыли 6,5 мм. Делим 6,5 на 10.
помощи линейки Диаметр провода получается равным
0,65 мм. Знаем, что 0,05 мм занимает изоляция. Следовательно,
реальный диаметр составляет 0,6 мм. Такой провод подойдет для
изготовления предохранителя на 30 А.
Для большей наглядности использован толстый провод. Чем больше
намотаете витков на линейку, тем точнее будет измерен диаметр про-
волоки. Нужно наматывать не менее 1 см. Если в наличии проволока
малой длины, то намотайте ее на любой стержень, например, отвертку,
зубочистку или карандаш, а линейкой измерьте ширину намотки.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 13
1.2. Определение емкости гасящих конденсаторов
и расчеты стабилизирующих транзисторных
каскадов источников питания
Расчет емкости конденсатора
при последовательном включении с нагрузкой
Методика расчета емкости конденсатора и напряжения на нем при его
последовательном включении с активной нагрузкой, например, паяль-
ником, лампой накаливания, нагревательным элементом, включает два
варианта [62, 63]. См. также статью «О включении паяльников в сеть
220 В» // Электрик. - 2002. - № 3. - С. 26. <? ^ов ?
В первом варианте (рис. 1.2) необходимо ° uc nin uR1 * .
уменьшить мощность в нагрузке на требуе- rc | P1 J'i
мую величину с помощью гасящего конден- ' Jj '—с=р '
сатора, а во втором - включить низковольт- ^ и Уменшение тщносш
ную активную нагрузку в сеть 220 В, погасив в нагрузке с помощью гасящего
излишек напряжения конденсатором. конденсатора
В качестве практического примера рассмотрим далее включение
низковольтного паяльника в сеть 220 В через гасящий конденсатор.
Осуществление первого варианта (рис. 1.2) предполагает два вычис-
ления с исходными данными (ток, потребляемый паяльником из сети
I, и сопротивление паяльника R1), затем два промежуточных вычис-
ления (ток, потребляемый паяльником при меньшей его мощности на
требуемую величину II, и емкостное сопротивление конденсатора Rc)
и, наконец, два последних вычисления, которые дают искомые вели-
чины емкость конденсатора С на частоте 50 Гц и напряжение на выво-
дах конденсатора Uc). Таким образом, для решения задачи по первому
варианту необходимо осуществить 6 вычислений.
По второму варианту (рис. 1.3), чтобы решить задачу, необходимо про-
извести с исходными данными два вычисления, как и в первом варианте,
а именно: найти ток I, потребляемый паяльником из сети, и сопротив-
ление паяльника R, затем следует одно промежуточное вычисление, из
которого, как и в первом варианте, находится емкостное сопротивление
конденсатора R,. и, наконец, два послед-
них вычисления, из которых определяют
емкость конденсатора С при частоте 50 Гц
и напряжение на выводах конденсатора
Ur. Таким образом, для решения задачи л л „crt
* Рис. 1.3. Включение низковольтной
по второму варианту необходимо осуще- активной нагрузки с гашением
СТВИТЬ ПЯТЬ вычислений. излишка напряжения конденсатором
-220В
Uri=42B
! Р1=25Вт
14 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Методика не позволяет сразу в одно действие, минуя исходные и
промежуточные расчеты, определить емкость гасящего конденсатора и
соответственно напряжение на его выводах.
Автору этой методики (Коломойцеву К. В. — прим. редактора) удалось
найти выражения, которые позволяют сразу в одно действие вычислить
емкость гасящего конденсатора, а затем напряжение на его выводах для
первого варианта. Подобным образом получено выражение для опреде-
ления емкости гасящего конденсатора для второго варианта.
Вариант 1. Располагаем паяльником 100 Вт 220 В и желаем эксплуа-
тировать его при мощности 60 Вт, используя при этом последовательно
включенный с ним гасящий конденсатор.
Исходные данные:
♦ номинальная мощность паяльника Р = 100 Вт;
♦ номинальное напряжение сети U = 220 В;
♦ требуемая мощность паяльника Рх = 60 Вт.
Требуется вычислить емкость конденсатора и напряжение на его
выводах согласно рис. 1.2. Формула для расчета емкости гасящего кон-
денсатора имеет вид:
С = Р • lO^iriilPCP/Pi - I)0'5 (мкФ).
При частоте питающей сети = 50 Гц формула принимает вид:
С = 3184,71 • Р/1Л(РЛ\ - I)0'5 = 3184,71 • 100/2202(100/60 - 1)°>5 = 8,06 мкФ.
В контрольном примере емкость конденсатора равняется 8,1 мкФ,
т. е. имеем полное совпадение результата. Напряжение на выводах кон-
денсатора равно
Uc = (Р • Р^5 • ЮУгл^С • U (В).
При частоте сети fx = 50 Гц формула упрощается:
Uc = 3184,71 • (Р • Р/'УС • U = 3184,71(60 • 100)°'5/8,06 • 220 =139,1 В.
В контрольном примере Uc = 138 В, т. е. практическое совпадение резуль-
тата. Таким образом, для решения задачи по первому варианту вместо
шести вычислений нужно сделать всего два (без промежуточных расчетов).
При необходимости емкостное сопротивление конденсатора можно
сразу вычислить по формуле:
Rc = ЩР/Р, -1)°>5/Р = 2202(100/60-1)°'5/Ю0 = 395,2 Ом.
В контрольном примере Rj. = 394 Ом, т. е. практическое совпадение.
Вариант 2. Располагаем паяльником мощностью 25 Вт, напряже-
нием 42 В и хотим включить его в сеть 220 В.
Исходные данные:
♦ номинальная емкость паяльника Р = 25 Вт;
♦ номинальное напряжение Ur = 42 В;
♦ напряжение сети U = 220 В.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
15
Необходимо рассчитать емкость гасящего конденсатора, последова-
тельно включенного в цепь паяльника, и напряжение на его выводах
согласно рис. 1.3.
Формула для расчета емкости конденсатора имеет вид:
С = Р • 106/2rrf1 • Ur(U2 - Ur2)0'5 мкФ.
При частоте сети fx = 50 Гц формула принимает вид:
С = 3184,71-P/Ur(U2 - Ur2)0'5 = 3184,71 • 25/42(2202 - 42)°>5 = 8,77 мкФ.
Напряжение на выводах конденсатора легко определить, пользуясь
исходными данными, по теореме Пифагора:
Uc = (U2 - Ur2)0'5 = (2202 - 422)0'5 = 216 В.
Таким образом, для решения задачи по второму варианту вместо
пяти вычислений необходимо осуществить только два.
При необходимости величину емкостного сопротивления конденса-
тора можно определить по формуле:
R, = Ur(U2 - Ur2) /P = 42(2202 - 422)°'5/25 = 362,88 Ом.
По контрольному примеру 1^ = 363 Ом. Гасящий конденсатор С на
приведенных рисунках желательно зашунтировать разрядным резисто-
ром МЛТ-0,5 номиналом 300—500 кОм.
Расчет емкости балансного конденсатора
в бестрансформаторном источнике питания
Некоторые радиолюбители при конструировании сетевых источ-
ников питания вместо понижающих трансформаторов применяют
конденсаторы в качестве балластных, гасящих излишек напряжения,
рис. 1.4 [117,127].
Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока,
ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает
Рис. 1.4. Применение гасящего конденсатора в источниках питания
16 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
поглощаемую мощность в виде тепла, что позволяет сконструировать
компактный блок питания, легкий и дешевый. Емкостное сопротивле-
ние конденсатора при частоте f описывается выражением:
V - 1
c~2n-f-C
Величина емкости балластного конденсатора Сб определяется по
формуле:
Г -
6~
\ c h
где Uc — напряжение сети, В; 1Н — ток нагрузки, A; UH — напряжение на
нагрузке, В.
Если UH находится в пределах от 10 до 20 В, то для расчета вполне
приемлемо выражение:
с
Подставив значения Uc = 220 В и UH = 15 В, при 1Н = 0,5 А получим зна-
чения Сб = 7,28 мкФ (1) и Сб = 7,27 мкФ (2).
Для обоих выражений получается весьма приличное совпадение,
особенно если учесть, что емкость обычно округляют до ближайшего
большего значения.
Совет.
Конденсаторы лучше подбирать из серии К73-17 с рабочим напря-
жением не ниже 300 В.
Внимание.
Используя эту схему, всегда нужно помнить, что она гальваниче-
ски связана с сетью, и вы рискуете попасть под удар электриче-
ским током с потенциалом сетевого напряжения. Кроме того, к
устройству с бестрансформаторным питанием следует очень
осторожно подключать измерительную аппаратуру или какие-
нибудь дополнительные устройства, иначе можно получить
совсем не праздничный фейерверк.
Для питания даже маломощных устройств лучше все-таки приме-
нять понижающие трансформаторы. Если напряжение его вторичной
обмотки не соответствует требуемому (превышает), то вполне без-
опасно применить гасящий конденсатор в цепи первичной обмотки
трансформатора для снижения напряжения или для включения транс-
форматора с низковольтной первичной обмоткой в сеть (рис. 1.4).
Балластный конденсатор в этом случае подбирается из расчета,
чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение транс-
форматора соответствовало заданному.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 17
Расчет гасящего конденсатора,
применяемого вместо резистора
В радиолюбительской практике, как и в промышленной аппаратуре
источником электрического тока обычно являются гальванические эле-
менты, аккумуляторы или промышленная сеть 220 В [20].
Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование бата-
рей питания себя оправдывает. Но если радиоприбор используется ста-
ционарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях
наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей прак-
тически и экономически не выгодно.
Для питания различных устройств низковольтным напряжением от
бытовой сети 220 В существуют различные виды и типы преобразова-
телей напряжения бытовой сети 220 В в пониженное. Как правило, это
схемы трансформаторного преобразования.
Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам:
Вариант 1. «Трансформатор — выпрямитель — стабилизатор» —
классическая схема питания, обладающая простотой построения, но
большими габаритными размерами.
Вариант 2. «Выпрямитель — импульсный генератор — трансформа-
тор — выпрямитель — стабилизатор» — схема импульсного источника
питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая
более сложную схему построения.
Примечание.
Самое главное достоинство указанных схем питания - наличие
гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания.
Это снижает опасность поражения человека электрическим током, а
также предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возмож-
ного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль».
Но иногда возникает потребность в простой, малогабаритной схеме
питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда
можно собрать элементарную конденсаторную схему питания.
Принцип ее работы заключается в «поглощении лишнего напряжения»
на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглоще-
ние происходит, рассмотрим работу простейшего
делителя напряжения на резисторах, рис. 1.5.
Делитель напряжения состоит из двух резисто- ~22ов
ров R1 и R2. Резистор R1 — ограничительный, или
по-другому называется добавочный. Резистор R2 —
нагрузочный (RJ, он же является внутренним сопро- резистивного
ТИВЛением нагрузки. делителя напряжения
18
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
-220В
U2=~12B
Предположим, что нам необходимо из
напряжения 220 В получить напряжение 12 В,
рис. 1.6. Указанные U2 = 12 В должны падать
на сопротивлении нагрузки R2. Это означает,
что остальное напряжение U1 = 220 - 12 =
208 В должно падать на сопротивлении R1.
Допустим, что в качестве сопротивления
нагрузки мы используем обмотку электро-
магнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом.
Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет
равен:
L=U2/R2 = 12/80 = 0,15 А.
Рис. 1.6. Расчет гасящего
сопротивления
ц
Указанный ток должен течь и через резистор R1. Зная, что на этом
резисторе должно падать напряжение Ш = 208 В, по закону Ома опре-
деляем его сопротивление:
R1 = иК1/1цепи = 208/0,15 = 1387 Ом.
Определим мощность резистора R1:
Р = илг1цепи = 208-0,15 = 31,2 Вт.
Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нем
мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в
раза два, это приблизительно составит 60 Вт.
о
Примечание.
Размеры такого резистора довольно
лучше его заменить на конденсатор!
внушительны. Поэтому
Любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким пара-
метром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радио-
элемента, изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока.
Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:
х- 1
c~27t-f-C'
где тт = 3,14; f—частота (Гц); С — емкость конденсатора (фарад).
D
Примечание.
Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С, мы «забудем»,
что такое резистор внушительных размеров.
Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно
равняться ранее рассчитанному значению R1 = \ = 1387 Ом.
Преобразовав формулу, заменив местами величины С и Хс, опреде-
лим значение емкости конденсатора:
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
19
с=
Отсюда С1 = 1/(2 -3,14-50-1387) = 2,3-10~6 Ф = 2,3 мкФ.
Совет.
Если нет конденсатора такой емкости, можно использовать
несколько конденсаторов с требуемой общей емкостью, включен-
ных параллельно или последовательно.
Схема бестрансформаторного (конденса-
торного) питания представлена на рис. 1.7.
Примечание.
Но изображенная на рис. 1.7 схема
работать будет не так как ее плани-
ровали! Заменив массивный резистор
R1 на один или два малогабаритных
Ш=~208В
С1
-220В
U2=~12B
Рис. 1.7. Расчет емкости
гасящего конденсатора
конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно - кон-
денсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка
реле - в цепи постоянного тока.
На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необ-
ходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему
диодного выпрямителя, разделяющего входную и выходную цепь, а
также элементов, сглаживающих пульсацию переменного напряжения
в выходной цепи.
Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного)
питания будет выглядеть как показано на рис. 1.8. Конденсатор С2 —
сглаживающий пульсации.
Для исключения опасности
поражения электрическим током
от накопленного напряжения в
конденсаторе С1, в схему введен
резистор R1, который шунти-
рует конденсатор своим сопро-
тивлением. При работе схемы он
своим большим сопротивлением
не мешает, а после отключения
схемы от сети через резистор R1
R1 510к
Рис. 1.8. Бестрансформаторное питание
низковольтного реле с использованием
гасящего конденсатора
происходит разряд конденсатора. Время разряда (в секундах) опреде-
ляется произведением:
R1C1 * 1 с,
где R — сопротивление в мегаомах; С — емкость в микрофарадах.
20 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные
расчеты, выведем окончательную формулу расчета емкости конден-
сатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При
известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопро-
тивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки RJ, значение сопротив-
ления R1 находится как:
ВЫХ
Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета емко-
сти конденсатора схемы бестрансформаторного питания:
с ^ -v
где RH — сопротивление нагрузки, в нашем случае это — сопротивление
обмотки реле Р1.
Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе
происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отноше-
нию к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение
в 1,5—2 раза больше того напряжения, которое подается в цепь питания.
Внимание.
При сети 220-230 В конденсатор должен быть рассчитан на рабо-
чее напряжение не менее 400 В. См. также Примечания на стр. 21 -23.
По указанной выше формуле можно рассчитать значение емкости
схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работа-
ющего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях перемен-
ной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи.
Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют ста-
билитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничиваю-
щие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем
показана на рис. 1.9.
Вся схема включена в сеть 220 В постоянно, а реле Р1 включается в
цепь и выключается с помощью выключателя S1. В качестве выключа-
теля может быть и полупроводниковый прибор, например, транзистор.
Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исклю-
чает увеличение напряжения во вторичной цепи.
Когда нагрузка отключена, ток течет через транзисторный каскад.
Если бы этого каскада не было, то при отключении Sin отсутствии
другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы
достигнуть максимального сетевого — 315 В.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
21
R1 510к
0.15А
Рис. 1.9. Бестрансформаторное питание низковольтного реле с использованием гасящего
конденсатора и стабилизирующего напряжение транзисторного каскада
в
Примечание.
При расчете схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что
напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номиналь-
ному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во
включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номи-
нального.
Поэтому, рассчитывая схему, изображенную выше, оптимально вести
расчет конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилиза-
ции сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это
позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает
надежность.
Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с ком-
мутируемой нагрузкой, параметр UBX мы берем равным не 12 В, а в пол-
тора раза меньше — 8 В, а для расчета ограничительного (стабилизиру-
ющего) транзисторного каскада — номинальное 12 В.
С1 = 1/(2-3,14-50-((220-80)/8-80)) = 1,5 мкФ.
Совет.
В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно
использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не
годится - у него мала рассеиваемая мощность. Поэтому в таком
случае лучше использовать транзисторную схему стабилизации
напряжения.
Расчет стабилизирующего транзисторного каскада
Расчет стабилизирующего транзисторного каскада основан на
использовании порога открытия биполярного транзистора, при дости-
жении напряжения база-эмиттер 0,65 В (на кристалле кремния). Для
разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 В, не
только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напря-
жение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчи-
танного значения.
22 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Расчет делителя смещения каскада стабилизации проводится по
тем же формулам делителя напряжения, при известных ивхдел = 12 В,
ивых дел = 0,65 В и токе транзисторного делителя, который должен быть
приблизительно в 20 раз меньше тока, протекающего через емкость С1.
Этот ток легко найти:
W = ивхдел/(20 • RH) = 12/(20 • 80) = 0,0075 А,
где R,, — сопротивление нагрузки, в нашем случае это — сопротивление
обмотки реле Р1, равное 80 Ом.
Номиналы резисторов R1 и R2 определяются следующим образом:
где Яобщ — общее сопротивление резисторов делителя смещения тран-
зистора VT1, которое находится по закону Ома:
R__ ивх.дел
чобщ
Итак,
дел
R^ = 12/0,0075 = 1600 Ом;
R3 = 0,65-1600/12 = 86,6 Ом.
По номинальному ряду, ближайший номинал R3 — 82 Ом.
R2 = 1600-86,6 =1513,4 Ом.
По номинальному ряду, ближайший номинал R2 — 1,5 кОм.
Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте
рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность
R2 выбираем в 0,25 Вт, a R3 - в 0,125 Вт.
Совет.
Вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном
случае это может быть Д814Г, КС211 (с любым индексом), Д815Д,
или КС212 (с любым индексом).
Транзистор выбирается с запасом падающей на нем мощности. Для
лучшей стабилизации возможно использование схемы «составного
транзистора».
Примечания редактора.
1. Последовательно со всеми схемами бестрансформаторного
питания с гасящими конденсаторами в разрыв сетевого про-
вода настоятельно рекомендуется включать токоограничи-
воющий резистор сопротивлением 200-750 Ом. Дело в том,
что не заряженные конденсаторы схемы в момент их вклю-
чения в электрическую сеть переменного тока эквивалентны
короткому замыканию в цепи. Следовательно, начальный бро-
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 23
сок тока может повредить цепи нагрузки, а также диоды
выпрямителя и сам гасящий конденсатор.
2. Наиболее просто и без каких-либо расчетов с достаточной
степенью приближения величину емкости гасящего конденса-
тора можно определить из соотношения: емкость конденса-
тора 1 мкФ соответствует максимальному току в нагрузке
70 мА. Это условие прекрасно выполняется в случае, если напря-
жение на нагрузке намного ниже сетевого напряжения.
3. Источники питания с применением гасящих конденсаторов, как
правило, имеют гальваническую связь с электрической сетью
и, следовательно, представляют собой источник повышенной
опасности при эксплуатации.
1.3. Расчеты катушек индуктивности
Магнитные материалы и их свойства
Примечание.
Приводимые ниже расчеты более подробно изложены в серии
публикаций А. Петрова [99-105].
Сначала рассмотрим магнитные материалы. Остановимся на магни-
томягких ферритах, т. к. они способны работать в широком диапазоне
как частот (от сотен герц до сотен килогерц), так и температур (от -60
до+155°С).
D
Примечание.
На частотах ниже 10 кГц габариты электромагнитных элемен-
тов оказываются завышенными, что и определяет ограничение
применения.
Ферриты имеют большое удельное сопротивление, следовательно,
и пренебрежимо малые потери на вихревые токи. Однако потери на
перемагничивании, связанные с «вязкостью» материала, значительны
и достигают 3—5 %. Поэтому КПД трансформаторов обычно лежит в
пределах 0,95-0,97.
Из последних разработок наиболее перспективными являются фер-
риты марок 2500НМС1 и 2500НМС2 как имеющие, в отличие от осталь-
ных марок, отрицательную температурную зависимость потерь.
в
Примечание.
Применение феррита марки М2500НМС2 позволяет уменьшить
массу на 8% и габариты на 15%, а при сохранении прежних типо-
размеров - увеличить мощность на 20 %.
24
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Ферриты 25ООНМС1 и 3000НМС обладают малыми значениями
потерь в сильных магнитных полях в диапазоне частот, принятых в
телевизионной технике, повышенной магнитной индукцией при высо-
ких температурах окружающей среды и при подмагничивании.
Ферритовые сердечники используются, как правило, в относительно
слабых магнитных полях напряженностью не более 10 А/см. В области
средних полей (до Нт включительно) с ростом индукции растет и про-
ницаемость, что обуславливает медленный рост потерь. При переходе
в область сильных полей проницаемость начинает уменьшаться и уже
не компенсирует рост индукции, вследствие чего потери резко возрас-
тают. Из этого следует, что величина Вт и есть максимально допусти-
мая индукция для любого феррита.
Остаточная индукция Вг в сильных полях (свыше Вт) может состав-
лять 0,3—0,6 индукции насыщения Bs.
Индукция насыщения, диапазон рабочих частот и температуры
окружающей среды для различных ферритовых материалов приведены
в табл. 1.3.
Характеристики ферритовых материалов
Материал
700НМ
15ООНМЗ
2000НМ1
2000НМЗ
25ООНМС1
2500НМС2
ЗОООНМ
ЗОООНМС
6000НМ
В,Тл при Н,А/см
0,8
0,25
0,24
0,32
0,31
2,4
0,33
0,31
0,29
0,33
0,36
0,25
0,34
8,0
0,36
0,34
0,37
0,35
Вг,Тл
0,16
0,11
0,13
0,12
0,09
Вт,Тл
0,23
0,16
0,17
0,16
0,12
Bs,Di
0,31-0,35
0,35-0,40
0,38-0,40
0,35-0,40
0,40-0,50
0,45-0,53
0,35-0,40
0.35-0,40
Af,KFU
0,1-3000
0,1-800
0,1-800
0,1-800
0,1-500
0,1-500
0,1-400
0,1-200
Таблица 1.3
At,*C
-60...+155
-60...+135
-60...+135
-60...+135
+2O...+135
-60...+135
-60...+110
-10...+120
-40...+100
Точка
Кюри,°С
240
200
Примечание к табл. 1.3.
Н - амплитудное значение синусоидального магнитного поля; Af - диапазон рабочих частот;
At - диапазон температуры окружающего воздуха.
Точка Кюри выбираемого феррита должна превышать максималь-
ную рабочую температуру не менее чем на 30—40 °С. Индукция Вг явля-
ется максимально допустимой, т. к. переход в область более сильных
полей приводит к резкому возрастанию потерь.
На рис. 1.10 показана зависимость магнитной индукций для мате-
риала 25ООНМС от напряженности и температуры. Аналогичная зави-
симость для материала 1500НМЗ показана на рис. 1.11.
Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнит-
ного поля, вызванного подмагничиванием постоянным током, для раз-
ных материалов показана на рис. 1.12.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
25
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
В.Тл
1/
/
/
20°С
,
135вС
н
(А/м)
80
160
240
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Вт.Тл
к
/
г
^_
-60°С
25°С
125°С
—
н
(А/м)
80
160
240
Рис. 1.10. Зависимость магнитной индукций Рис. 1.11. Зависимость магнитной индукций
для феррита 2500НМС от напряженности для феррита 1500НМЗ от напряженности
магнитного поля и температуры магнитного поля и температуры
юоо -1.22?iLH,-
800 *■ "
600
400
200
100
80
50
40
20
10
юоонн
400НН
N
>
\
20
т
L2000HM
\
эонн\
\
1
II
\.
X
0,01
0,1
1,0
Мэ
120
100
80
60
40
20
Рис. 1.12. Зависимость магнитной
проницаемости ферритов от напря-
женности магнитного поля, вызванного
подмагничиванием постоянным током
ч
""2"
3
4
\
ь
\
\
\
V
\
1
Сердечни
\
\
ч
М15С
\ \
сБЗО
ЮНМ
-is
10 Н(А/см)
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Н (А/см)
HU=0,4 А/м f = J
1 - зазор 0,2 мм
2 - зазор 0,3 мм
3 - зазор 0,4 мм
4-зазор 0,5 мм
Рис. 1.13. Влияние воздушного зазора
в ферритовом сердечнике на его
магнитную проницаемость
Влияние воздушного зазора на магнитную проницаемость показано
на рис. 1.13.
Напряженность магнитного поля трансформатора с подмагничива-
нием постоянным током определяется как:
Н = 10-п//м,А/см,(1),
где 10 — сила постоянного тока, А; п — число витков; /м — эффективное
значение длины средней силовой линии, см.
26
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
—
щ
н
- тэ
о
Типоразмеры сердечников и их характеристики
Из всего многообразия остановимся на трех основных типах: коль-
цевом, броневом и Ш-образном, рис. 1.14 — рис. 1.16.
Осуществление миниатюризации источников вторичного электро-
питания идет по пути повышения частоты преобразования. Это позво-
ляет существенно уменьшить габариты моточных изделий — транс-
форматоров и дросселей. Для этой цели наилучшим образом подходят
кольцевые и броневые сердечники [99—105].
Кольцевые сердечники (рис. 1.14) имеют некоторое преимущество,
т. к. имеют большее обмоточное пространство. Для трансформаторов с
накоплением энергии (например, ОНПШ) и для дросселей с подмагни-
чиванием (PHI—PHIII) броневой сердечник предпочтительнее благо-
даря возможности создания немагнитного зазора.
Броневой сердечник (рис. 1.15) явля-
ется хорошим магнитным экраном для
обмотки, находящейся внутри него, так
как максимальное значение индукции
Вт достигается лишь в центральном
сечении, а в остальной части сердечника
она мала. При этом магнитные свойства
феррита (в первую очередь магнитная
проницаемость) достаточно высоки,
поскольку сердечник имеет большой
запас по объему магнитного материала.
Благодаря этому сердечник имеет
более мягкий переход от линейной обла-
сти к области насыщения. Иногда зазор
выполняют не по всему сечению сердеч-
ника, что позволяет улучшить свойства
феррита в более широком диапазоне
нагрузок. Кроме того, сердечники этого
типа удобно крепить на радиатор.
Кольцевой сердечник (рис.1.16)
может создавать меньший уровень элек-
тромагнитного излучения по сравнению
с броневым, но из-за несимметричной
намотки может потребоваться его экра-
нирование.
При выполнении трансформаторов и
дросселей на кольцевых магнитопроводах
обеспечивается наибольшая магнитная
Рис. 1.16. ш-образные сердечники проницаемость, уменьшаются помехи и
Рис. 1.14. Кольцевые сердечники
У
1
1
4-1
л\
У
л:
Рис. 1.15. Броневые
сердечники
L
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
27
улучшаются электромагнитные свойства, т. к. магнитное поле заключено
в пространстве, ограниченном обмотками. С ростом частоты преобразова-
ния растет и преимущество тороидальных сердечников.
Примечание.
При одинаковых ампервитках индукция в кольцевых магнитопро-
водох больше, чем в броневых, что позволяет уменьшить массу и
размеры трансформатора.
Ш-образные сердечники также уступают кольцевым, поскольку
последние имеют лучшие теплоотводящие свойства благодаря большей
поверхности охлаждения обмоток.
Броневые магнитопроводы применяются в случаях, когда требуется:
♦ высокая добротность в заданной полосе;
♦ возможность регулировать индуктивность;
♦ обеспечение малого коэффициента вносимых нелинейных ис-
кажений;
♦ высокая устойчивость к механическим и климатическим воз-
действиям;
♦ отсутствие полей рассеяния.
Основные геометрические параметры некоторых сердечников маг-
нитопроводов приведены в табл. 1.4.
Характеристики типовых ферритовых сердечников Таблица 1.4
Типоразмер
К10*6*3
К10х6*4,5
К16*Ю*4,5
К20*12*6
К32*20*6
К38*24*7
К40*25*11
Ш5*5
Ш7х7
11110*10
Ш12*15
Ш16*20
Ш20х28
Б14
Б22
БЗО
Б36
Б48
/м,см
2,45
2,52
4,09
5,03
8,17
9,75
10,22
4,31
6,29
8,38
9,67
v 12,3
14,4
1,89
3,04
4,41
5,40
6,92
Sm,cm2
0,06
0,09
0,135
0,24
0,36
0,49
0,825
0,30
0,62
1,00
1,80
3,21
6,77
0,27
0,69
1,46
2,20
3,74
So, см2
0,283
0,283
0,785
1,13
3,14
4,52
4,91
0,52
1.14
2,10
2,70
4,20
5,30
0,157
0,390
0,812
0,854
1,967
S0-Sm,cm4
0,017
0,025
0,106
0,271
1ДЗ
2,22
4,05
0,156
0,70
2,10
4,90
13,5
30,6
0,0425
0,258
1,00
1,84
7,00
Vm,cm3
0,147
0,227
0,552
1.21
2,93
4,77
8,42
1,29
3,95
8,38
17,4
39,5
97,5
0,529
2,10
6,44
11,9
25,88
Примечание к табл. 1.4. SM - эффективное значение площади сечения магнитопровода; S - площадь
окна магнитопровода; VM = LM-SM - эффективный объем магнитопровода.
28
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Расчет индуктивности с использованием табличных данных
Значения начальной индуктивности AL для некоторых типоразмеров
магнитопроводов приведены в табл. 1.5 [99—105].
Значения начальной индуктивности AL
для некоторых типоразмеров магнитопроводов
Типоразмер
К10*6*3
«10*0*4,5
«16*10*4,5
К20*12*б
К32*20*6
К38*24*7
К40*25*11
Ш5*5
Ш7*7
Ш10*10
Ш12*15
Ш16*20
Ш20*28
Ш16*20
Таблица 1.5
Начальная индуктивность \, нГн/ вит2 ±25 %
1000НМ
310
460
430
620
570
650
1050
740
1050
1320
2300
3470
5000
-
1500НМ
440
690
640
920
850
980
1560
1020
1485
1890
3100
4800
7000
-
2000НМ
650
980
900
1300
1190
1360
2240
1230
1640
2360
3880
5970
8800
-
зооонм
930
1390
1280
1850
1680
1960
3120
-
-
-
-
-
-
8450
•Для ЗОООНМС
Значения начальной индуктивности AL и эффективной магнитной
проницаемости в зависимости от величины зазора для Ш-образных
сердечников приведены в табл. 1.6.
Значения начальной индуктивности AL и эффективной магнитной проницаемости
в зависимости от величины зазора для Ш-образных сердечников Таблица 1.6
2000НМ
Ш5*5
Ш7*7
Ш10*10
Ш12*15
AL, нГн/вит2
1230
250
100
1890
630
400
250
2360
630
450
400
3880
1600
Доп. откл., %
25
20
15
25
20
15
10
25
20
15
10
25
20
Мэ
1345
288
115
1520
510
324
202
1615
422
288
167
1655
680
Зазор б, мм
-
0,13
0,36
-
0,09
одз
0,28
-
0,15
0,27
0,45
-
0,09
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
29
Таблица 1.6 (продолжение)
2000НМ
Ш12х15
Ш16*20
Ш16к20
3000НМС
А^нГн/вит2
1250
630
430
5970
2000
1250
800
8450
3000
2000
1250
460
Доп. откл., %
15
10
10
25
15
10
10
25
15
10
10
10
Мэ
536
271
172
1720
612
382
245
2580
920
610
385
140
Зазор 6, мм
0,14
0,31
0,53
-
0,16
0,29
0,43
-
0,16
0,23
0,43
1,00
Индуктивность катушки равна L = AL-n2 (2), откуда n = (L/AL)0'5 (3).
Пример 1. Сердечник М1500НМ К10*6*3. п = 300. L — неизвестно.
Индуктивность катушки рассчитывается по формуле (2)
L = AL • п2 = 440 • 3002 = 40-Ю6 нГн = 40 мГн.
Пример 2. Сердечник М2000НМ 1117*7. п = 10. L — неизвестно.
L = 1840 • 102 = 184 • 103 нГн = 184 мкГн.
Расчет индуктивности без использования табличных данных
Для любого другого магнитопровода, не указанного в табл. 1.6,
индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником, у которой
.практически весь поток замыкается через сердечник, можно рассчитать
по формуле [99—105]:
Ь = цо.цэ.п2.8м//м = 1,261О-8ЦэП28м//м,Гн, (4),
откуда
п=8900
где \х0 = 4 • 3,14 • 10~9 Гн/см — магнитная проницаемость вакуума;
\хэ — эффективное значение начальной магнитной проницаемости.
Примечание.
При слабых переменных магнитных полях (Вт < 0,05 Тл) и отсут-
ствии подмагничивания постоянным током эффективная магнит-
ная проницаемость уэ равна начальной у, которая приводится в спра-
30 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
вочниках для каждого типоразмера сердечника (для кольцевых магни-
топроводов входит в марку феррита) и измеряется на частоте не
более 10 кГц при напряженности поля Н не более 0,4 А/см,
Из выражения (4) следует, что индуктивность катушки при одном и
том же числе витков зависит от отношения $yjlw а так как с увеличе-
нием сердечника примерно в одинаковой степени растут как SM, так и
Ци, их отношение остается приблизительно постоянным.
Поэтому при одном и том же числе витков индуктивности катушек,
намотанных на маленьком и большом кольцах с одинаковой магнитной
проницаемостью, примерно совпадают. Большое кольцо имеет преиму-
щество в том случае, когда нужна большая добротность катушки.
Граничная частота материала магнитопровода, начиная с которой
необходимо секционирование обмоток:
Пример 3. Сердечник М1500НМ К10х6*3. п = 300. L — неизвестно.
Индуктивность катушки рассчитывается по формуле (4):
L = 1,26-10-Ч500-3002-0,06/2,45 = 0,04 Гн = 40 мГн.
Пример 4. Сердечник М2000НМ 1117*7. п = 10. L — неизвестно.
L = 1,26-10-Ч490-10Ч),62/6,29 = 184-Ю"6 Гн = 184 мкГн.
Как видно из пар примеров 1,3 и 2,4, результаты совпадают.
Примечание.
При увеличении амплитуды переменного тока эффективная магнит-
ная проницаемость \лу а, следовательно, и индуктивность катушки
возрастают примерно в 1,5-2 раза (в зависимости от марки фер-
рита и величины тока). С ростом же постоянной составляющей
тока, /jy а, следовательно, и индуктивность катушки, падают.
Зависимость динамической магнитной проницаемости от подмаг-
ничивания показана на рис. 1.17.
Введение воздушного зазора эквивалентно параллельному включе-
нию индуктивности, обусловленной магнитным потоком в магнито-
проводе (с нелинейной вебер-ампернрй характеристикой — рис. 1.18,
кривая 1), и потоком в зазоре (с линейной характеристикой — рис. 1.18,
кривая 2). Как показано на рис. 1.18, кривая 3 — это наиболее эффек-
тивное приближение зависимости L(i) к линейной при работе с изменя-
ющимся током подмагнич^вания.
lu =
Иэ 1 + ц8//м
где 8 — величина зазора, см.
/м/8,
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
31
tgct3
tgal<tgct2>tga3
tgal
Но
Рнс. 1.17. Зависимость динамической магнитной
проницаемости от уровня подмагничивания
Рис. 1.18. Вебер-амперные
характеристики
В любительских условиях это достигается разламыванием кольца на
две части с последующим их склеиванием.
Примечание.
Чаще всего индуктивности должны быть регулируемыми. Для
этой цели больше всего подходят сердечники броневого типа.
Начальная индуктивность в зависимости от величины зазора, типы
подстроечных сердечников и коэффициент перекрытия (диапазон
изменения индуктивности) для сердечников из материала 1500НМ при-
ведены в табл. 1.7 [99—105].
Характеристики индуктивностей, выполненных
на сердечниках из материала 1500НМ
Зазор 5, мм
0,2
0,3
0,5
0,6
0,8
1,0
Подстроенные
сердечники
Таблица 1.7
AL, нГн/вит2
Б14
-
97
-
60
-
-
-
25
-
40
-
-
ПС1*6
Б22
305
221
150
-
108
-
%L>
14
22
32
-
64
-
ПСЗ,2*11
ПР4х0,5*12
БЗО
539
388
258
-
182
155
%1'
15
23
36
-
50
60
ПС4,2*17
ПР5*0,5*18
Б36
931
666
437
-
-
253
А£*
11
16
25
-
-
45
ПС4,5*21
ПР5*О,5*21
Б48
1390
1001
670
566
-
-
А£'
8
-
-
22
-
-
-
Для получения стабильных во времени параметров индуктивностей
сердечники подвергают старению, т. е. воздействию температуры на
10—15 °С выше верхней рабочей в течение 48 ч. После этого катушки в
сборе подвергают циклическому воздействию повышенной (+ 85 °С) и
пониженной (-60 °С) температур — не менее пяти циклов.
32 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
1.4. Расчеты трансформаторов
Габаритная мощность магнитопровода
Сердечник магнитопровода трансформатора выбирают исходя из
необходимой габаритной мощности [99—105]:
Ргаб=1^ (7)
i=l *
где Pj = Ц-Ij — мощность i-ой обмотки.
Как ввдим, габаритная мощность трансформатора равна полусумме
мощностей всех обмоток (как первичных, так и вторичных). Обычно ее
принимают равной сумме мощностей всех нагрузок.
Примечание.
Поскольку дроссель имеет только одну обмотку, габаритная мощ-
ность дросселя вдвое выше мощности трансформатора, т. е.
масса дросселя вдвое меньше массы трансформатора при той же
электромагнитной мощности.
Предположим, что мы имеем простейший трансформатор с одной
первичной и одной вторичной обмотками. Воспользуемся известной
формулой для ЭДС индукции:
U = 4,44-f -Bm-SM-n-10-4, В (8)
и выражением для тока обмотки:
I = j.SM.KM.102/2n,A, (9)
где Км = Sn • п • So = (0,1—0,35) — коэффициент заполнения окна медью;
Sn — площадь поперечного сечения провода, мм2; п — число витков.
Перемножив U на I, получаем выражение для габаритной мощности:
Ргаб = U-I = 4,44f -Вт^-Зо-п+К^Ю-угп = 2,2-SM-S0-f-BmtKM-10-2, Вт. (10)
Поскольку диапазон изменения индукции ДВ при симметричном
перемагничивании равен 2Вт, выражение (10) можно переписать в
следующем виде:
Pra6 = SM-S0-f-AB-j-KM.10-2,BT (11)
Из формулы следует, что при прочих равных условиях чем выше К^
тем выше коэффициент использования данного магнитопровода по
мощности. С этой целью иногда используют провод прямоугольного
сечения, а катушки выполняют бескаркасными, что позволяет довести
Км до 0,7 против обычного 0,5.
Кроме того, плоские провода имеют меньший поверхностный
эффект (эффект вытеснения тока). Для выбора магнитопровода удобно
пользоваться произведением S0-SM, характеризующим электромагнит-
ную мощность:
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
33
S0SM>Pra6/f.ABj.KM.TiTp.10-2,CM2 (12),
где АВ — диапазон изменения магнитной индукции в сердечнике за
время действия импульса t,,, Тл (рис. 1.19);
ДВ = 2Bm < 1,2BS — для двухтактного преобразователя;
ДВ = (0,5—0,75)Вт — для магнитопро-
водов однотактных преобразователей
напряжения и дросселей с зазором;
ДВ = Вт - Вг = 0,25Вт — для дросселей
LC-фильтров без зазора и без обратно
включенного диода;
Км = 0,15 для кольцевого магнитопро-
вода;
Км = 0,25—0,35 для остальных магни-
топроводов (Км для дросселей вдвое
выше, т. к. все окно занимает одна
обмотка);
Tjjp = 0,95...0,97 — КПД трансформатора.
-Вт
Рис. 1.19. Кривые гистерезиса
для магнитопроводов
Принудительное перемагничивание магнитопровода
Однотактные преобразователи с «прямым» включением диода [99—
105] могут работать с ДВ, приближающимся к 2Вт, если ввести прину-
дительное перемагничивание магнитопровода.
Примечание.
Из формул (11) и (12) следует, что с одного и того же сердечника
в двухтактном преобразователе можно снять мощность в 3-4
раза больше, чем в однотактном, т. к., во-первых, более чем вдвое
выше значение Дб, а, во-вторых, введение зазора из-за сниже-
ния магнитной проницаемости требует большего числа витков
обмоток в том же обмоточном пространстве.
В связи с этим однотактные преобразователи с «обратным» включе-
нием диода применяются в сравнительно простых и маломощных ста-
билизированных источников вторичного электропитания (до 100 Вт),
когда требуется хорошая фильтрация пульсаций напряжения первич-
ного источника, а нагрузка носит изменяющийся характер.
Однотактные преобразователи с «прямым» включением диода хотя и
допускают работу с большим ДВ, применяются при мощности нагрузки
как правило не более 350 Вт. Двухтактный преобразователь с выводом
средней точки первичной обмотки трансформатора (схема Роера и ей
подобные) применяют до 300 Вт. Двухтактная полумостовая схема при-
меняется обычно до 700 Вт, свыше 700 Вт — двухтактная мостовая.
34
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рекомендуемое значение ДВ с учетом изменения петли перемагни-
чивания в однотактном режиме приведено в табл. 1.8.
Рекомендуемое значение диапазона магнитной индукции Д£
при использовании различных марок феррита
Таблица 1.8
Марка феррита
М2000НМ1
М3000НМ1
М6000НМ1
Диапазон магнитной индукции АВ,Тл
Рн<10Вт
0,12
0,16
0,25
Рн > 10 Вт
0,10
0,14
0,20
Площадь поперечного сечения провода:
Sn = l3/j-N,MM2. (13)
Наряду с этим:
Sn = 3,14d2/4. (14)
Решая уравнения (13) и (14) относительно d получим
d = l,13.(l3/j-N)0'5, (IS)
где 1э — эффективное значение тока, A; j — плотность тока, А/мм2; N —
количество параллельно соединенных проводов; d — диаметр про-
вода, мм.
Плотность тока j в обмотках трансформатора выбирают в соответ-
ствии с табл. 1.9 или табл. 1.10.
Плотность тока] в обмотках трансформаторов различной мощности
Таблица 1.9
Рн,10Вт
У, А/мм2
<10
10
10-20
8-6
21-50
6-5
Плотность тока] в обмотках трансформаторов,
рассчитанных на работу на разных частотах
//Ргаб
У, А/мм2
2
3,5
10
4,5
20
5,0
51-100
5-4,5
60
5,5
101-200
4,5-4
100
6,0
>200
4-3
Таблица 1.10
200
6,5
Для упрощения выбора кольцевого магнитопровода из матери-
ала М2000НМ удобно пользоваться ориентировочными данными,
табл. 1.11. Одним из основных требований к электрическим пара-
метрам трансформаторов является снижение до некоторого уровня
индуктивности рассеяния Ls, от которой зависит коэффициент магнит-
ной связи между обмотками и соответственно — коэффициент пере-
дачи и КПД трансформатора.
KMC = (L1-Ls)/Ll.
Частотные характеристики кольцевых магнитопроводов М2000НМ
Типоразмер
К10*6*3
К10*6*4,5
/=» 10 кГц
Вт,Тл
0,20
0,20
Р.Вт
0,5
1,0
/■ 50 кГц
Вт,Тл
0,20
- 0,20
Р.Вт
5,5
7,5
Таблица 1.11
/« 100 кГЦ
Вт,Тл
0,15
0,15
Р.Вт
7,0
9,0
Глава 1, Силовая электроника: расчеты от А до Я
35
Таблица 1.11 (продолжение)
Типоразмер
К16х10*4,5
К20*10*5
К20*12*6
К28х16х9
К38х24х7
К40х25х11
/= 10 кГц
Вт,Тл
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
Р,Вт
8,0
12,0
22,0
66,0
132,0
230,0
/= 50 кГц
Вт,Тл
0,20
0,20
0,20
0,18
0,15
0,15
Р.Вт
28,0
42,0
77,0
210,0
400,0
720,0
/= 100 кГц
Вт,Тл
0,12
0,12
0,12
0,10
0,10
0,10
Р,Вт
34,0
51,0
94,0
250,0
540,0
900,0
Примечание.
Обеспечение хорошей магнитной связи между первичными и вто-
ричными обмотками трансформаторов при низких уровнях выход-
ных напряжений затруднено вследствие существенного различия
в количестве витков обмоток.
Увеличение индуктивности рассеяния
Индуктивность рассеяния можно уменьшить разбивкой первич-
ной обмотки на две части, одна из которых мотается в нижнем слое,
а вторая — в верхнем, после вторичной [99—105]. Еще лучшие резуль-
таты можно получить, если намотать первичную и вторичную обмотки
совместно, для чего первичную обмотку разбивают на несколько обмо-
ток с числом витков, равным числу витков вторичной обмотки, которые
затем соединяют последовательно.
При намотке трансформаторов на кольцевых магнитопроводах во
избежание проколов лакоткани и закорачивания обмоток на сердеч-
ник острые кромки магнитопровода следует притупить. Для увеличе-
ния потокосцепления витки обмоток следует располагать в один ряд,
вплотную друг к другу.
Обмотки, между которыми необходимо получить хорошее потоко-
сцепление, должны быть отделены друг от друга минимально необхо-
димой изоляцией, и витки одной должны располагаться над витками
другой на том же участке намотки. Если обмотки значительно раз-
нятся числом витков, целесообразно малую обмотку мотать двумя или
несколькими параллельными проводами.
1.5. Расчеты дросселей
В отличие от индуктивностей, в которых преимущественно преоб-
ладает переменная составляющая тока, в дросселях преобладает посто-
янная составляющая. Суммарное действие постоянной и переменной
составляющих напряженности магнитного поля не должно приводить
36
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 1.20. Суммарное действие
постоянной и переменной
составляющих напряженности
магнитного поля в дросселях
==с[к
Рис. 21. LC-фильтр
к насыщению магнитопровода, поскольку
при этом резко уменьшается магнитная
проницаемость и индуктивность дросселя
(рис. 1.20), т. е. должно выполняться усло-
вие [99-105]:
В = Во + Вт ^ Bs. (16)
Основной критерий выбора параме-
тров LC-фильтра (рис. 1.21) — обеспече-
ние заданного коэффициента пульсаций
Кп на нагрузке
ьс=шх=т21бТк?
(17)
где Кп = 0,5AUh/Uh; AUh — двойная ампли-
туда пульсаций на нагрузке (рис. 1.22).
В этих формулах С — емкость в микро-
фарадах; L— индуктивность в микро-
генри; Т — период в микросекундах.
Следующее условие выбора элементов
фильтра — обеспечение непрерывности
тока в дросселе фильтра:
"*1ШП
0-1
2f©
RHmax=0,5RHT(l-.y> (18)
Емкость конденсатора фильтра из
выражения (17):
С=Т2-
(1-т)
(19)
Отсюда следует, что радикальным спо-
собом уменьшения Кп и массогабаритных
характеристик L и С является повышение
рабочей частоты преобразователя f.
Максимальное значение энергии, которую может накопить индук-
тивность L за время действия импульса тока (энергоемкость), Вт-с:
Рис. 1.22. Пульсации выходного
напряжения на сопротивлении
нагрузки
W -
Wmax-
(20)
где 1М и 1Э — амплитудное и эффективное значения переменного тока в
дросселе, соответственно.
Если по обмотке индуктивности (дросселя) протекает ток, имеющий пере-
менную I и постоянную 1о составляющие, энергоемкость индуктивности
Глава If Силовая электроника: расчеты от А до Я 37
(g> (21)
Габаритная мощность дросселя определяется как произведение мак-
симальной магнитной энергии, накапливаемой в нем, на частоту f
(22)
Подставив (22) в (12), получаем выражение для определения типо-
размера сердечника магнитопровода
+12)
B f. (23)
Ориентировочное значение оптимального воздушного зазора, при
котором наилучшим образом используются магнитные свойства сер-
дечника, определяют по формуле:
^ (24)
SMAB2 SMAB2
Число витков обмотки определяют по формуле (3), сечение про-
вода — по формуле (15).
Если учесть, что наиболее распространенная форма тока дросселя —
треугольная (при непрерывном токе), то амплитуда переменной состав-
ляющей равна:
xLm
Вывод.
Сделаем выводы о принятой ширине зазора. Он должен быть опти-
мальным.
При выборе зазора меньше оптимального происходит, как уже гово-
рилось выше, уменьшение индуктивности дросселя вследствие насы-
щения материала сердечника.
При выборе зазора больше оптимального также происходит умень-
шение индуктивности вследствие снижения эквивалентной магнитной
проницаемости.
1.6. Расчеты силовых трансформаторов
Принцип действия трансформатора
Определение.
Трансформатор- устройство, в котором переменный ток одного
напряжения преобразовывается в переменный ток другого напряжения.
38
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 1.23. Схематическое
устройство трансформатора
При этом преобразовании напряже-
ний одновременно всегда происходит
также преобразование силы тока: если
трансформатор повышает напряжение,
то сила тока уменьшается [132].
Трансформатор представляет собой
стальной сердечник с двумя катушками,
имеющими обмотки, рис. 1.23. Одна из
обмоток называется первичной, другая — вторичной. При прохождении
переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется пере-
менный магнитный поток, который возбуждает ЭДС во вторичной обмотке.
Примечание.
Сила тока во вторичной обмотке, не присоединенной к цепи,
потребляющей энергию, равна нулю. Если цепь подсоединена и
происходит потребление электроэнергии, то в соответствии с
законом сохранения энергии сила тока в первичной обмотке про-
порционально возрастает.
Таким образом происходит преобразование и распределение элек-
трической энергии.
На общем сердечнике (обычно из трансформаторной стали) распо-
ложены две обмотки. По одной из обмоток I, называемой первичной,
под действием переменного напряжения \]г проходит переменный ток
Ij. Этот ток создает в сердечнике переменный магнитный поток, изме-
няющийся по своей величине и направлению в соответствии с измене-
ниями тока 1Г
Переменный магнитный поток пронизывает витки второй обмотки
II, называемой вторичной обмоткой, и индуктирует в каждом из ее
витков определенную переменную ЭДС. Так как все витки обмотки II
соединены последовательно, то отдельные ЭДС каждого витка склады-
ваются, а на концах вторичной обмотки получается суммарная ЭДС,
также переменная по величине и направлению.
Обычно трансформаторы конструируются так, что падение напряже-
ния во вторичной обмотке невелико (порядка 2—5 %). Поэтому с извест-
ным допущением можно принять, что на концах вторичной обмотки
напряжение U2 равно ее ЭДС. Это напряжение U2 будет во столько раз
больше (или меньше) напряжения первичной обмотки \Jl9 во сколько
раз число витков п2 вторичной обмотки больше или меньше) числа вит-
ков щ первичной.
Ток во вторичной обмотке 12, наоборот, будет во столько раз меньше
(или больше) тока первичной обмотки 1и во сколько раз число витков
п2 вторичной обмотки больше или меньше) числа витков пх первичной.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
39
Определение.
Отношение числа витков питаемой от сети обмотки к числу
витков другой обмотки или одного напряжения (первичного) к
другому (вторичному) называется коэффициентом трансформа-
ции и обозначается буквой К.
Часто коэффициент трансформации выражается соотношением двух
чисел, например, 1:55, показывающим, что число витков первичной
обмотки в 55 раз меньше числа витков вторичной.
Конструкция силового трансформатора
Сердечники силовых трансформаторов бывают: Ш-образный
(рис. 1.24, а) у которого магнитный поток разветвляется на две ветви,
и П-образный (рис. 1.24, б) с неразвет-
вленным магнитным потоком. Первый
вид сердечников, называемый броне-
вым, применяется более часто, чем вто-
рой — стержневой. Еще бывает третий
тип силового трансформатора — спи-
ральный (или ленточный), который
является разновидностью первых двух.
Для уменьшения потерь в сердеч-
нике последний делается не сплошным,
а из отдельных тонких листов стали, оклеенных бумагой или покрытых
изолирующим лаком. Толщина пластин составляет от 0,25 до 0,5 мм,
чаще всего 0,3—0,35 мм.
В настоящее время пакеты пластин для трансформаторов малой и
средней мощности (до 200 Вт) собираютсй в основном из двух типов
пластин (рис. 1.25): Ш-образных и прямых (накладок). Применение
прямых пластин (накладок) дает возможность делать у
некоторых трансформаторов (например, у выходных)
воздушный зазор в сердечнике.
Сборка пластин производится одним из двух спо-
собов. При одном способе — встык — собираются
отдельно две части сердечника, которые затем при-
кладываются друг к другу (рис. 1.26, а) и стягиваются
болтами и накладками. При другом способе — впере-
крышку — пластины накладываются друг на друга в р
порядке, указанном на рис. 1.26, б. прямая (накладка)
Рис. 1.24. Виды сердечников силовых
трансформаторов:
а - броневой; б - стержневой
1
1
1
1
1
1
Форма пластин
40
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
в
а б
Рис 1.26, Способы сборки трансформаторного железа:
а - встык; 6 - вперекрышку
Примечание.
Сердечник трансформатора должен быть крепко стянут, в про-
тивном случае при работе трансформатора сердечник будет
гудеть. Хотя гудение и не оказывает существенного влияния на
работу трансформатора, но оно неприятно действует на слух.
Обмотки трансформатора располагаются на каркасе, который оде-
вается на сердечник. Каркас, как правило изготавливается из картона,
или прессшпана.
При использовании Ш-образного сердечника все обмотки трансфор-
матора размещаются на одном каркасе, надеваемом на средний стер-
жень сердечника. При П-образном сердечнике обмотка располагается
или на одном, или на двух каркасах, надеваемых соответственно на
один или оба стержня сердечника.
В трансформаторах наиболее часто применяется цилиндрическая
намотка: на каркас сперва наматывается первичная обмотка, на кото-
рую для изоляции укладывается несколько слоев бумаги, а затем поверх
этой изоляции наматывается вторичная обмотка. Если таких вторич-
ных обмоток будет несколько, то между каждыми двумя обмотками
прокладывается изоляция из 2—3 слоев бумаги.
Внимание.
При большом числе витков в обмотке, например, при повышающей
намотке, через каждые 2-3 слоя следует обязательно проклады-
вать бумажные изолирующие прокладки.
Расчет силового трансформатора
Точный расчет трансформатора довольно сложен, но радиолюбитель
может сконструировать силовой трансформатор, пользуясь для расчета
упрощенными формулами, которые приводятся ниже.
Для расчета предварительно необходимо определить, исходя из
заданных условий величины напряжений и сил токов для каждой из
обмоток. Сначала подсчитывается мощность каждой из вторичных
(повышающих, понижающих) обмоток:
Глава i. Силовая электроника: расчеты от А до Я 41
где Р2, Р3, Р4 — мощности (Вт), Отдаваемые обмотками трансформатора;
12,13,14 — силы токов (Д); U2, U3, U4 — напряжения (В) этих обмоток.
Для определения общей мощности Р трансформатора все мощно-
сти, полученные для отдельных обмоток, складываются и общая сумма
умножается на коэффициент 1,25, учитывающий потери в трансфор-
маторе:
Р = 1,25(Р2+Р3 + Р4 +...),
где Р — общая мощность (Вт), потребляемая всем трансформатором.
По мощности Р подсчитывается сечение сердечника (в см2):
Q = 1,2VP.
Далее определяется число витков п0 приходящиеся на 1В напряже-
ния:
n -50
После этого переходят к определению числа витков каждой из обмо-
ток. Для первичной сетевой обмотки число витков, учитывая потери
напряжения, будет равно:
Для остальных обмоток с учетом потерь напряжения числа витков
равны:
n2 =l,O3no-U2; n3 = l,03n0U3; n4 = l,O3no-U4...
Диаметр провода любой обмотки трансформатора можно опреде-
лить по формуле:
где I — сила тока (А), проходящего через данную обмотку;
d — диаметр провода (по меди) в мм.
Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку, опреде-
ляется из обшей мощности трансформатора Р:
Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для
этого необходимо подсчитать площадь, которую занимает вся обмотка
в окне сердечника трансформатора:
42 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
где SM — площадь (в мм2), занимаемая всеми обмотками в окне;
dv d2, d3 и d4 — диаметры проводов обмоток (в мм);
nv n2, п3 и п4 — числа витков этих обмоток.
Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов, неравно-
мерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне сердеч-
ника.
По полученной величине SM выбирается типоразмер пластины с
таким расчетом, чтобы обмотка свободно разместилась в окне выбран-
ной пластины.
в
Совет.
Выбирать пластины с окном, значительно большим, чем это необ-
ходимо, не следует, так как при этом ухудшаются общие качества
трансформатора.
Наконец определяем толщину набора сердеч-
ника — величину Ь, которую подсчитывают по
формуле:
о 4 ,т rt. Здесь размер а — ширина среднего лепестка
HUC. 1.2/. LOOpКО . ^ #%—ч 1 rs.
трансформаторного пластины (рис. 1.27) и b в миллиметрах; Q— в
железа сантиметрах квадратных.
Расчет простой, самым сложным является поиск сердечника с необ-
ходимым типоразмером.
1.7. Расчет понижающего сетевого трансформатора
источника питания
Этапы расчета трансформатора
В конструкциях радиолюбителя в 90 % случаев используют понижа-
ющие трансформаторы. В этой связи рассмотрим далее расчет такого
трансформатора [97,98].
Расчет включает следующие этапы:
♦ выбор магнитопровода;
♦ расчет диаметра обмоточного провода;
♦ расчет числа витков в обмотках.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
43
Выбор магнитопровода
Магнитопроводы для трансформаторов подразделяют на броневые,
стержневые и тороидальные, а по технологии изготовления — на пла-
стинчатые (рис. 1.28) и ленточные (рис. 1.29).
Рис. 1.28. Магнитопроводы пластинчатые:
а - броневые; б - стержневые; в - тороидальные
Рис. 1.29. Магнитопроводы ленточные:
а - броневые; б - стержневые; в - тороидальные
В трансформаторах малой (до 300 Вт) и средней мощности (до
1000 Вт) чаще используют ленточные магнцтопроводы [72].
Среди ленточных наиболее применимы стержневые магнитопроводы.
В тороидальных трансформаторах практически весь магнитный поток
проходит по магнитопроводу, поэтому индуктив-
ность рассеяния у них минимальная, зато слож-
ность изготовления обмоток весьма высока.
На основании вышесказанного выбираем
стержневой ленточный магнитопровод [130].
Изготавливают следующие типы магнито-
проводов: ПЛ — стержневой ленточный; ПЛВ —
стержневой ленточный наименьшей массы;
ГОШ — стержневой ленточный с уменьшенным
расходом меди; ПЛР — стержневой ленточный
наименьшей СТОИМОСТИ.
На рис. 1.30 показаны обозначения габарит-
ных размеров магнитопровода: А - ширина;
А
с
->
>
а
X
Рис. 1.30. Общий вид
ленточных стержневых
магнитопроводов
габаритных размеров
44
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Н — высота; а — толщина стержня; b — ширина ленты; с — ширина окна;
h — высота окна; Ы — высота ярма.
Стержневым магнитопроводам присвоены сокращенные обозначе-
ния, например:
ПЛ8х12,5х16,
где ПЛ — П-образный ленточный; 8 — толщина стержня; 12,5 — ширина
ленты; 16 — высота окна.
Размеры магнитопроводов
Размеры магнитопроводов ПЛ и ПЛР приведены в табл. 1.12 и
табл. 1.13.
Размеры магнитопроводов типа ПЛ
Таблица 1.12
Типоразмер
магнитопровода
Ь,
мм
с,
мм
мм
н,
hi,
мм
ПЛ6,5*12,5*8
ПЛ6,5*12,5*10
ПЛ6,5*12,5*12,5
ПЛ6,5*12,5*16
12,5
21
21
23
25,5
29
8
10
12,5
16
6,5
28
30
33
37
0,81
0,64
0,80
1,00
1,26
0,52
0,65
0,81
1,04
5,08
5,48
5,98
6,68
4,13
4,45
4,86
5,43
ПЛ8х12,5*12,5
ПЛ8*12,5*16
ПЛ8*12,5*20
ПЛ8*12,5*25
12,5
10
26
28,5
32
36
41
12,5
16
20
25
47
51
57
63
1,25
1,60
2,00
2,50
1,25
1,60
2,00
2,50
7,01
7,71
8,51
9,51
7,01
7,71
8,51
9,51
ПЛ1О*12,5х2О
ПЛ1О*12,5*25
ПЛ10*12,5*32
ПЛ10*12,5*40
10
12,5
12,5
32,5
40
45
52
60
20
25
32
40
10
81
89
98
114
1,25
2,50
3,13
4,00
5,00
3,13
3,91
5,00
6,25
9,64
10,64
12,04
13,64
12,05
13,30
15,05
17,05
ПЛ12,5*16*25
ПЛ12,5*16*32
ПЛ12,5*16*40
ПЛ12,5*16*50
12,5
16
16
41
50
55
65
75
25
32
40
50
12,5
163
182
203
230
4,00
5,12
6,40
8,00
8,00
10,24
12,80
16,00
12,13
13,53
15,13
17,13
24,25
27,05
30,25
34,25
ПЛ12,5*25*32
ПЛ12,5*25*40
ПЛ12,5*25*50
ПЛ12,5*25*60
12,5
25
20
45
57
65
75
85
32
40
50
60
12,5
292
334
376
418
3,13
6,40
8,00
10,0
12,0
20,0
25,0
31,25
37,80
14,33
15,93
17,93
19,93
44,77
49,77
56,02
62,27
ПЛ16*32*40
ПЛ16*32*50
ПЛ16*32*65
ПЛ16*32*80
16
32
25
57
72
82
97
112
40
50
65
80
16
612
690
795
900
5,12
10,0
12,5
16,25
20,0
51,2
64,0
83,2
102,4
18,0
20,0
23,0
26,0
92,16
102,40
117,76
133,12
ПЛ20*40*50
ПЛ20*40*60
ПЛ20*40*80
ПЛ20*40*100
20
40
32
72
90
100
120
140
50
60
80
100
20
1230
1350
1550
1770
16,0
19,2
25,6
32,0
128
153,8
204,8
256,0
22,68
24,68
28,68
32,68
181,44
197,44
229,44
261,44!
Глава Д, Силовая электроника: расчеты от А до Я
45
Таблица 1.12 (продожение)
Типоразмер
магнитопровода
Н,
ё
h
У
ТиР
ПЛ25*50*80
ПЛ25х5ОхЮО
ПП25х50х120
25
50
40
90
115
130
150
170
65
80
100
120
25
2440
2700
3040
3360
12.5
26.0
32.0
40,0
48.0
325,0
400.0
500,0
600,0
28,8
31,8
35,8
39.8
360,0
397,5
447,5
497,5
Размеры магнитопроводов типа ПЛР
Типоразмер
магнито-
провода
ПЛР10х12.5
ПЛР10х16
ПЛР10х20
ПЛР10х25
ПЛР12,5х12.5
ПЛР12,5х16
ПЛР12,5х20
ПЛР12,5х25
ПЛР12,5х32
ПЛРЦх12,5
ПЛР14х16
ПЛР14х20
ПЛР14х25
ПЛР14х32
ПЛР14х36
ПЛР16х12,5
ПЛР16х16
ПГР16х20
ПЛР16х25
ПЛР16х32
ПЛР16х40
ПЛР18х16
ПЛР18х20
ПГР18х25
ПГР18х32
ПГР18х40
ПГР18х45
ПЛР21х20
ПЛР21х25
ПЛР21х32
ПЛР21х36
ПЛР21х40
ПЛР21х45
а, мм
10
12,5
14
16
18
21
Ь.мм
12,5
16
20
25
12,5
16
20
25
32
12,5
16
20
25
32
36
12,5
16
20
25
32
40
16
20
25
32
40
45
20
25
32
36
40
45
с,
мм
8
10
11,5
16
18
25
А,
мм
28
35
39,5
48
54
67
>
н,
мм
54
65
73
92
107
127
п,
мм
32
40
45
60
71
85
HI,
мм
10
12,5
14
16
18
21
1
94
120
151
188
148
188
235
294
377
186
238
297
372
475
535
274
350
438
547
700
875
457
571
713
913
1142
1284
812
1015
1232
1462
1624
1827
\
1
1
1,25
1,60
2,00
2,50
1,56
2.24
2.50
3,13
4.00
1,75
2.24
2,80
3.50
4,48
5,04
2,00
2,56
3.20
4,00
5,12
6,40
2,88
3,60
4,50
5,76
7,20
8,10
4,20
5,25
6,72
7,56
8,40
9,45
5
J
ii
2,56
4,00
5,18
9,60
12,78
21,25
1
i
J
3,20
4,10
5,12
6,40
6,25
8,00
10,0
12,5
16,0
9,06
11,59
14,49
18,11
23,18
26,06
19,20
24,56
30,72
38,40
49,15
61,44
36,81
46,01
57,51
73,61
92,02
103,52
89,25
111,56
142,8
160,65
178,5
200,81
Таблица 1.13
Ii
11,14
13,93
15,70
20,23
23,46
28,60
JL к»
ll
13,93
17,82
22,28
27.85
21,83
27,85
34,82
43,52
55,71
27,47
35,16
43.95
54.94
70,33
79,12
40,45
51,78
64,73
80,91
103,56
129,45
67,55
84,44
105,54
135,10
168,88
189,99
120,11
150,13
182,17
216,19
240,21
270,24
46
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Варианты размещения катушек на магнитопроводе
Различные варианты расположения катушек на стержнях магнито-
провода сравним по одному из основных параметров трансформато-
ров — индуктивности рассеяния [37]. Формула имеет вид:
где |i0 = 4я-10~7 Гн/м — магнитная постоянная; wx — число витков пер-
вичной обмотки; /сроб — средняя длина витка обмоток, см; b — тол-
щина обмоток, см; h — высота обмотки, см.
Примечание.
Эта формула получена при условии, что обмотки - цилиндриче-
ские, не секционированы и расположены концентрически.
Схемы соединения обмоток для всех вариантов показаны на
рис. 1.31.
Рис. 1.31. Схемы и варианты соединения обмоток трансформаторов:
а - первичная и вторичная обмотки расположены на одном стержне; б - первичная и вторичная
обмотки разделены на две равные части, которые размещены на двух стержнях; в - первичная и
вторичная обмотки расположены на разных стержнях: две полуобмотки с полным числом витков
соединены параллельно; г - первичная и вторичная обмотки расположены на разных стержнях:
две полуобмотки с полным числом витков соединены последовательно; д - первичная обмотка
полностью расположена на одном стержне магнитопровода, а вторичная - на другом стержне
Сравнительные расчеты проведем для трансформатора на магнито-
проводе ШЛО* 12,5><40, имеющего одну первичную и одну вторичную
обмотки.
в
Примечание.
Чтобы все расчетные варианты находились в одинаковых усло-
виях, примем толщину обмоток Ь = с/4 и число витков первичной
обмотки wx = 1000.
Рассмотрим первый вариант, когда первичная и вторичная обмотки
расположены на одном стержне (рис. 1.31, а). Чертеж катушки показан
на рис. 1.32. Сначала рассчитаем среднюю длину витка обмоток
/сроб=2а+2Ь + яс/2 =
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
47
с?—
Побм./
—л)
1
1
1
, 1
~-ь
22,-L-
.•'ер об
с
а
fr—
т / /
Побм./
с/4
ср об
/\
с/2
с
—Л
—^1
п
Рис. 1.32. Чертеж катушки
трансформатора
Рис. 1.33. Вариант расположения
V' обмоток трансформаторц и их
габаритные размеры
а затем рассчитаем индуктивность рассеяния катушки первого варианта
Во втором варианте первичная и вторичная обмотки разделены на
две равные части, которые размещены на двух стержнях (рис. 1.31, б).
Каждая катушка состоит из половины обмотки щ и половины w2.
Чертеж катушек показан на рис. 1.33. Вычислим индуктивность рас-
сеяния одной катушки (щ = 500), а затем результат удвоим, поскольку
катушки одинаковы:
Две первичные обмотки в третьем варианте расположены в двух
катушках на разных стержнях, каждая из которых содержит по 1000
витков. Обе первичные обмотки соединены параллельно.
Вторичная обмотка размещена в двух катушках на разных стержнях,
причем возможны два случая:
♦ две полуобмотки с полным числом витков, соединенные парал-
лельно (рис. 1.31, в);
♦ вторичная обмотка разделена на две полуобмотки с вдвое мень-
шим числом витков, соединенные последовательно (рис. 1.31, г).
Чертеж катушек показан на рис. 1.33. В этом варианте индуктив-
ность рассеяния такая же, как и во втором варианте: LS3 = LS2 = 2,13 мГн.
Примечание.
Следует помнить, что во втором и третьем вариантах первич-
ные и вторичные обмотки и полуобмотки должны быть включены
согласно, чтобы создаваемые ими магнитные потоки в магнито-
48
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
проводе имели одинаковое направление. Другими словами, магнит-
ные потоки должны суммироваться, а не вычитаться.
На рис. 1.34, а показано неправильное подключение, а на
рис. 1.34, б— правильное.
Рис. 1.34. Варианты подключения обмоток трансформатора:
а - неправильное; б - правильное
Внимание.
Необходимость соблюдения правил соединения обмоток и полуоб-
моток - недостаток второго и третьего вариантов. Кроме того,
в третьем варианте суммарный магнитный поток от первичной
обмотки вдвое больше по сравнению с другими, что может приве-
сти к насыщению магнитопровода и, как следствие, к искажению
синусоидальной формы напряжения. Поэтому применять третий
вариант включения обмоток на практике следует осторожно.
В четвертом варианте первичная обмотка полностью расположена на
одном стержне магнитопровода, а вторичная — на другом (рис. 1.31, д).
Чертеж катушек показан на рис. 1.35. Поскольку обмотки расположены
не концентрически, для расчета индуктивности рассеяния воспользу-
емся формулой:
где b = с/4 — толщина обмоток, см;
Rg,, = /об/2л — внешний радиус обмотки, см;
/^ = 2а + 2Ь + 2ттЬ — наружная длина витка обмотки, см.
Вычислим наружную длину витка и внешний радиус обмотки: /^=6,5 см;
R,,,, = 1,04 см. Подставляя рассчитанные значения в формулу для вычис-
ления индуктивности рассеяния, получим L^ = 88,2 мГн.
Примечание.
Кроме рассмотренных четырех существует еще много других
вариантов расположения обмоток на стержнях магнитопро-
вода, однако во всех остальных случаях индуктивность рассеяния
больше, чем во втором и третьем вариантах.
а
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
49
Рис. 1.35. Вариант расположения обмоток трансформатора
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие
выводы:
Во-первых. Индуктивность рассеяния минимальна во втором и тре-
тьем вариантах расположения обмоток и находится в таком соотноше-
нии: L^ » LS1» LS2 = LS3.
Во-вторых. У трансформаторов третьего варианта две одинаковые
первичные обмотки, поэтому они более тяжелые, трудоемкие и доро-
гие, чем во втором варианте.
Совет.
При изготовлении трансформаторов малой мощности следует
выбирать схему соединения и расположение обмоток, рассмо-
тренные во втором варианте. Вторичные полуобмотки можно
соединять и последовательно, если необходимо получить более
высокое напряжение на выходе, и параллельно, если требуется
больший выходной ток.
Материалы магнитопроводов
До сих пор мы не учитывали потери в реальном трансформаторе,
которые складываются из потерь в магнитопроводе — на вихревой ток
и перемагничивание (гистерезис). А в расчетах их учитывают как мощ-
ность потерь в стали Рст, и потери в обмотках — как мощность потерь в
меди Рм.
Итак, суммарная мощность потерь в трансформаторе равна:
где Рвт — мощность потерь на вихревой ток;
Рг — мощность потерь на гистерезис.
50 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Для их уменьшения сталь подвергают термообработке — понижают
содержание углерода, а также легируют — добавляют кремний, алюми-
ний, медь и другие элементы. Все это повышает магнитную проница-
емость, уменьшает коэрцитивную силу и, соответственно, потери на
гистерезис. Кроме того, сталь подвергают холодной или горячей про-
катке для получения необходимой структуры (текстуры проката).
В зависимости от содержания легирующих элементов, структурного
состояния, магнитных свойств стали маркируют четырехзначными
числами, например, 3412.
Первая цифра означает класс электротехнической стали по структур-
ному состоянию и классу прокатки:
1 — горячекатаная изотропная;
2 — холоднокатаная изотропная;
3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.
Вторая цифра — процент содержания кремния:
0 — нелегированная сталь с суммарной массой легирующих элемен-
тов не более 0,5 %;
1 — легированная с суммарной массой свыше 0,5, но не более 0,8 %;
2 — легированная с суммарной массой 0,8—1,8 %;
3 — легированная с суммарной массой 1,8—2,8 %;
4 — легированная с суммарной массой 2,8—3,8 %;
5 — легированная с суммарной массой 3,8—4,8 %.
Третья цифра — группа по основной нормируемой характеристике
(удельные потери и магнитная индукция):
0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл на частоте
50Гц(Р1)5/50);
1 — потери при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц (Pi,5/so)J
2 — при индукции 1 Тл на частоте 400 Гц (Р1/4Оо);
6—индукция в слабых магнитных полях при напряженности 0,4 А/м (Во J;
7 — индукция в средних магнитных полях при напряженности
10 А/м (В10) или 5 А/м (Bs).
Примечание.
Первые три цифры обозначают тип электротехнической стали.
Четвертая цифра - порядковый номер типа стали.
Магнитопроводы трансформаторов для бытовой техники изготав-
ливают из холоднокатаной текстурованной стали марок 3411—3415
[130] с нормированными удельными потерями при магнитной индук-
ции 1,5 Тл на частоте 50 Гц и удельным сопротивлением 60-10~8 Омм.
Параметры некоторых марок электротехнической стали приведены в
табл. 1.14.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
51
Характеристики ряда марок электротехнической стали
Марка
стали
1511
1512
1513
1514
3411
3412
3413
3414
3415
Содержание
кремния, %
3,8-4,8
2,8-3,8
Толщина
ленты,
мм
0,5
0,35
0,50
0,35
0,30
0,50
0,35
0,30
0,28
0,35
0,30
0,28
Удельные потери,
Вт/кг, не более
р
Г1/50
1,55
1,35
1,40
1,20
1,25
1,05
1,15
0,90
1,10
0,80
0,95
0,70
0,80
0,60
0,70
0,50
0,46
р
Г1.5/50
3,5
3,0
зд
2,8
2,9
2,5
2,7
2,2
2,45
1,75
2,10
1,50
1,75
1,30
1,19
1,50
1,10
1,03
1,05
1,03
0,97
0,95
р
Г1.7/50
-
-
-
-
3,2
2,5
2,8
2,2
2,5
1,0
1,75
2,2
1,6
1,5
1,55
1,50
1,40
1,38
Таблица 1.14
Индукция, Тл, при напряженности
магнитного поля, А/м, не более
100
-
-
-
-
-
-
-
1,6
1,6
1,6
1,61
250
-
-
-
-
-
-
-
1,7
1,7
1,7
171
1000
1,30
1,29
1,29
1,29
1,60
1,65
1,7
1,7
-
-
2500
1,46
1,45
1,44
1,44
1,75
1,80
1,85
1,88
1,88
1,88
1,85
1,90
5000
1,57
1,56
1,55
1,55
1,83
1,87
1,9
1,9
1,9
-
10000
1,70
1,69
1,69
1,69
1,91
1,92
1,95
1,95
1,95
-
30000
1,90
1,89
1,89
1,89
1,98
2
2
2
2
-
Холоднокатаная электротехническая сталь обладает более высокими
магнитными характеристиками. Кроме того, более гладкая поверхность
позволяет увеличить коэффициент заполнения объема магнитопровода
кстдо98%[181].
Исходные данные для расчета трансформатора
Рассчитаем трансформатор, имеющий первичную и две одинаковые
вторичные обмотки, со следующими параметрами:
♦ эффективное (действующее) напряжение первичной обмотки
1^ = 220 В;
♦ эффективное (действующее) напряжение вторичных обмоток
U2 = U3 = 24B;
♦ эффективный (действующий) ток вторичных обмоток 12 = 13 = 2 А.
♦ частота сетевого напряжения f = 50 Гц.
Коэффициент трансформации равен отношению напряжения на
первичной к напряжению на разомкнутой (ЭДС) вторичной обмотке.
При этом пренебрегают погрешностью, возникающей из-за отличия
ЭДС от напряжения на первичной обмотке:
52
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
где щ и w2 — число витков, соответственно, первичной и вторичной
обмоток;
Е2 и Е2 — ЭДС первичной и вторичной обмоток.
Ток в первичной обмотке равен:
Ix = (I2 +I5)-U2/U1 = (2 + 2). 24/220 = 0,44 А.
Габаритная мощность трансформатора равна:
В процессе расчета необходимо определить размеры магнитопро-
вода, число витков всех обмоток, диаметр и примерную длину обмо-
точного провода, мощность потерь, полную мощность трансформатора,
КПД, максимальные габариты и массу.
Расчет магнитопровода трансформатора
Сначала рассчитаем произведение площади поперечного сечения
стержня на площадь окна магнитопровода [72].
Стержнем называют участок магнитопровода (a*b><h), на котором
размещена катушка:
где В — магнитная индукция, Тл;
j — плотность тока в обмотках, А/мм2;
г| — КПД трансформатора;
п — число стержней магнитопровода;
кс — коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью;
км — коэффициент заполнения окна магнитопровода медью.
Рекомендуемые значения магнитной индукции и средние значения
плотности тока, КПД и коэффициента заполнения окна для частоты
f = 50 Гц приведены в табл. 1.15.
Рекомендуемые значения магнитной индукции и другие параметры,
необходимые для расчета магнитопровода трансформатора Таблица 1.15
Габаритная
мощность Ргаб, Вт
10
20
40
70
100
200
Магнитная индукция, Тл,
при частоте 50 Гц
и толщине ленты
0,05-0,1
1,20
1,40
1,55
1,60
1,60
1,51
0,35-0,5
1,10
1,26
1,37
1,39
1,35
1,25
Плотность
тока, А/мм2
4,8
3,9
3,2
2,8
2,5
2,0
кпд
0,85
0,89
0,92
0,94
0,95
0,96
Коэффициент
заполнения окна
магнитопровода
проводами ПЭЛ, ПЭВ-1
0,22
0,26
0,28
0,30
0,31
0,32
Глава 1; Силовая электроника: расчеты от А до Я
53
Таблица 1.15 (продолжение)
Габаритная
мощность Ргаб, Вт
400
700
1000
2000
4000
7000
10000
Магнитная индукция, Тл,
при частоте 50 Гц
и толщине ленты
0,05-ОД
1,43
1,35
1,30
1,20
1,10
1,02
0,97
0,35-0,5
1ДЗ
1,05
1,00
0,90
0,80
0,72
0,68
Плотность
тока, А/мм2
1,6
1,3
1,2
1Д
1,0
1,0
1,0
кпд
0,97
0,97
0,97
0,97
0,97
0,97
0,97
Коэффициент
заполнения окна
магнитопровода
проводами ПЭЛ, ПЭВ-1
0,33
0,34
0,35
0,36
0,36
0,37
0,37
Коэффициент заполнения сечения магнитопровода равен:
♦ 0,95-0,97 для сталей 3411-3415;
♦ 0,89-0,93 для сталей 1511-1514.
Для расчета принимаем: В = 1,35 Тл; j = 2,5 А/мм2; ti = 0,95; к, = 0,96;
= 0,31;п = 2.
Sct.Sok = 96102/(2,22501,35.2,50,9520,960,31)=45,3cm4.
Толщину стержня магнитопровода вычисляют по формуле
а = 0,7^/SCT-SOK = 0,7^4^3 = 1,8 см.
Подходящий магнитопровод выбирают по табл. 1.12 и табл. 1.13.
При выборе следует стремиться к тому, чтобы сечение магнитопровода
было близко к квадрату, поскольку в этом случае расход обмоточного
провода минимален.
Ширину ленты магнитопровода рассчитывают по формуле
b = SCTSOK/(a.ch)=45,3/(l,8.1,8.7,l)=l,97cM.
Выбираем магнитопровод ПЛР18><25, у которого а = 1,8 см; b = 2,5 см;
Ь = 7,1см;
SCT.S0K = 57,51 см4; Sct=4,5cm2; Sok=12,78cm2.
Расчет обмоток трансформатора
Вычислим ЭДС одного витка по формуле
Рассчитаем приблизительно падение напряжения на обмотках:
AU2«AU3«l,5U2j. а- 10-3/е = 1,5-24- 2,5-1,8- ИГ3/ 0,1295 = 1,25 В.
54
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Вычислим число витков первичной обмотки:
w1=(U1-AU1)/e=(220-ll,5)/0,1295 =
Вычислим число витков вторичных обмоток:
w2=w3=(U2+AU2)/e = (24 + l,25)/0
Рассчитаем диаметр обмоточного провода без изоляции по формуле
а=из|.
Подставив числовые значения, получим диаметр провода первичной:
= 0,44 мм.
Подставив числовые значения, получим диаметр вторичных обмоток:
По табл. 1.16 выбираем марку и диаметр обмоточного провода в
изоляции [75]:
♦ для первичной обмотки — ПЭЛ или ПЭВ-1 dx = 0,52 мм;
♦ для вторичных — ПЭЛ или ПЭВ-1 d2 = d3 = 1,07 мм.
Характеристики обмоточных проводов
ПЭЛ
ПЭВ-1
Таблица 1.16
пэлшо
П
(О 5
51
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,0020
0,0028
0,0059
0,0050
0,0064
0,0079
0,0095
0,0113
0,0133
0,0154
0,0177
0,0200
0,0227
9,29
6,44
4,73
3,63
2,86
2,25
1,85
1,55
1,32
1,14
0,99
0,873
0,773
0,0040
0,0057
0,0077
0,0100
0,0127
0,0157
0,0190
0,0226
0,0266
0,0308
0,0354
0,0402
0,0454
0,065
0,075
0,085
0,095
0,105
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0Д8
0,19
1,9
2,7
5,6
4,7
5,9
7,3
8,8
10,4
12,2
14,1
16,2
18,4
20,8
0,070
0,085
0,095
0,105
0,115
0,125
0,155
0,145
0,155
0,165
0,18
0,19
0,20
1,9
2,8
5,8
4,9
6,2
7,5
9Д
10,7
12,4
14,4
16,0
18,8
21,2
0,12
0,15
0,14
0,15
0,16
0,18
0,19
0,20
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
3,5
4,2
5,5
6,5
7,9
9,5
11,0
12,7
14,7
16,7
18,9
21,2
25,7
Глава 1. Силовая электроника: расчеты 6т А до Я
55
Таблица 1.16 (продолжение)
к
Л
0Д8
0,19
0,20
0,21
0,25
0,25
0,27
0,29
0,31
0,55
0,55
0,58
0,41
0,44
0,47
0,49
0,51
0,55
0,55
0,57
0,59
0,62
0,64
0,67
0,69
0,72
0,74
0,77
0,80
0,85
0,86
0,90
0,95
0,96
1,00
1,04
1,08
1,12
1Д6
0,0255
0,0284
0,0514
0,0546
0,0416
0,0491
0,0575
0,0661
0,0755
0,0855
0,0962
0,1154
0,1520
0,1521
0,1755
0,1855
0,2045
0,2206
0,2576
0,2552
0,2754
0,5019
0,5217
0,5526
0,5759
0,4072
0,4500
0,4657
0,5027
0,5411
0,5809
0,6562
0,6795
0,7258
0,7854
0,8495
0,9161
0,9652
1,057
0,688
0,618
0,558
0,507
0,425
0,557
0,506
0,266
0,255
0,205
0,182
0,155
0,155
0,115
0,101
0,095
0,086
0,0795
0,0757
0,0687
0,0641
0,058
0,0545
0,0497
0,0469
0,0450
0,0407
0,0576
0,0548
0,0524
0,0500
0,0275
0,0258
0,0242
0,0224
0,0206
0,0191
0,0178
0,0166
0,0510
0,0568
0,0628
0,0692
0,0852
0,0982
0Д15
0,152
0,151
0,171
0,192
0,226
0,264
0,504
0,546
0,578
0,408
0,441
0,476
0,510
0,547
0,604
0,644
0,705
0,748
0,814
0,86
0,95
1,00
1,08
1,16
1,27
1,56
1,45
1,57
1,70
1,83
1,97
2Д1
пэл
0,20
0,21
0,225
0,255
0,255
0,275
0,51
0,55
0,55
0,57
0,59
0,42
0,45
0,49
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0,62
0,64
0,67
0,69
0,72
0,74
0,78
0,80
0,85
0,86
0,89
0,92
0,96
0,99
1,02
1,07
1,12
1,16
1,20
1,24
25,5
25,9
28,7
51,6
57,8
44,6
52,2
60,1
68,9
78,0
87,1
105
120
158
157
171
185
200
216
250
248
275
291
519
558
567
590
421
455
489
525
574
615
655
710
764
827
886
955
ПЭВ-1
0,21
0,22
0,25
0,24
0,27
0,29
0,51
0,55
0,55
0,57
0,59
0,42
0,45
0,48
0,51
0,55
0,56
0,58
0,6
0,62
0,64
0,67
0,69
0,72
0,74
0,77
0,80
0,85
0,86
0,89
0,92
0,96
0,99
1,02
1,08
1,12
1,16
1,20
1,24
25,6
26,5
29,0
52,0
58,5
45,2
52,6
60,5
68
78
87,1
105
120
158
157
171
186
201
216
250
248
274
292
519
558
567
590
422
455
489
525
574
615
655
712
770
829
892
956
ПЭЛШО
0,26
0,27
0,29
0,50
0,52
0,54
0,57
0,59
0,42
0,44
0,46
0,49
0,52
0,55
0,58
0,60
0,65
0,65
0,67
0,69
0,71
0,75
0,76
0,79
0,81
0,85
0,87
0,90
0,95
0,96
0,99
1,05
1,06
1,09
1,14
1,18
1,21
1,26
1,50
2Е
§:
It
26,5
29,0
52,2
55,2
41,7
48,8
56,9
65,1
74,2
85,6
95,5
109
127
145
165
179
194
209
225
241
257
285
501
550
549
578
402
454
468
507
558
588
627
668
727
785
844
906
971
56
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Таблица 1.16 (продолжение)
ПЭЛ
ПЭВ-1
пэлшо
is
1,20
1,131
0,0155
2,26
1,28
1020
1,28
1030
1,34
1040
1,25
1,227
0,0143
2,45
1,33
1110
1,33
1110
1,39
ИЗО
1,30
1,327
0,0132
2,65
1,38
1190
1,38
1200
1,44
1220
1,35
1,431
0,0123
2,86
1,43
1290
1,43
1290
1,49
1310
1,40
1,539
0,0113
3,08
1,48
1390
1,48
1390
1,54
1400
1,45
1,651
0,0106
3,30
1,53
1490
1,53
1490
1,59
1500
1,50
1,767
0,0098
3,53
1,58
1590
1,58
1590
1,66
1620
1,56
1,911
0,0092
3,82
1,64
1720
1,64
1720
1,72
1750
1,62
2,060
0,0085
4,12
1,71
1850
1,70
1850
1,78
1880
Уточняем число витков обмоток. Для этого вначале уточним падение
напряжения на обмотках:
Рассчитаем среднюю длину витка, используя рис. 1.32 или рис. 1.33:
/сроб=2а + 2Ь + тсс/2 = 2.1,8 + 2-2,5 + Ti.1,8/2 = 0,114 м,
а затем рассчитаем длину провода в обмотках:
/1=w1-/qMl6 = 1610,0 0,114 = 183,5 м,
/2='3=w2./cpo6 = 196,0.0,114 = 23,3 м.
Уточненные значения падения напряжения на обмотках равны:
ди1=2,25 0,44183,5 10-2/0,472=8,2В
AU2=AU3=2,25223,310-2/l2=l,05B.
С учетом полученных значений вычислим число витков первичной
обмотки: , ч
w1=(U1-AU1)/e = (220-8,2)/0,1295=1640
С учетом полученных значений вычислим число витков вторичных
обмоток: , ч
w2=w3 = (U2+AU2)/e = (24 + l,05)/0,1295 = 192.
Рассчитаем массу провода обмоток:
М1 = /1т1 = 183,5157/100 = 288г,
M2 = M3 = /2m2 =23,2-710/100 =165 г,
где тх и т2 — погонная масса проводов, соответственно, первичной и
вторичных обмоток из табл. 1.16.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 57
Массу магнитопровода определяем по табл. 1.13:Мм = 713г.
Масса трансформатора без учета массы деталей крепления равна
М = 288+ 2-165+ 713 =1331 г.
Максимальные размеры: (Ь + с) • (А + с) • Н = 43 • 72 • 107 мм.
Коэффициент трансформации к = щ/щ = 1640/192 = 8,54.
Расчет мощности потерь
Потери в магнитопроводе равны:
где руд — удельные потери в магнитопроводе из табл. 1.14.
Предположим, что магнитопровод изготовлен из стальной ленты
3413 толщиной 0,35 мм. Тогда по табл. 1.14 находим, что удельные
потери в таком магнитопроводе равны 1,3 Вт/кг. Соответственно,
потери в магнитопроводе
Рст = 0,713-1,3 = 0,93 Вт.
Потери в обмотке — на активном сопротивлении проводов — вычис-
лим по формуле
где т19 г2 — активное сопротивление, соответственно, первичной и вто-
ричных обмоток.
1[ — ток первичной обмотки с учетом потерь:
ri =/1гш =183,50,101 = 18,5 Ом,
r2=r3=/2r2M= 23,3 0,0224 = 0,52Ом,
где г1м, г2м — погонное сопротивление проводов, соответственно, пер-
вичной и вторичных обмоток из табл. 1.16.
Пересчитаем ток вторичных обмоток в ток первичной обмотки:
I1(2) = (I2 +13) /k = (I2 +13) w2/w1 = 4 • 192 /1640 = 0,468А.
Ток первичной обмотки с учетом потерь равен:
Ц^,/Л = 0,468/0,95 = 0,49 А.
В формуле ц = 0,95 — КПД трансформатора из табл. 1.15 для мощ-
ности 100 Вт.
Потери в обмотках равны:
Рм = 0,49218,5 + 2220,52 = 8,6Вт.
Полная мощность трансформатора с учетом потерь равна:
Р^ иД =220-0,49 = 107,8 Вт.
58 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
КПД трансформатора рассчитаем по формуле
( )( )()(
Изготовление трансформатора
Изготавливать трансформатор будем по второму варианту, рассмо-
тренному выше. Расположение катушек показано на рис. 1.33. Для
этого необходимо изготовить две катушки, каждая из которых содержит
половину витков первичной и каждой из вторичных обмоток:
♦ w{ = 820 витков провода ПЭЛ (или ПЭВ-1) диаметром 0,52 мм;
♦ W2 = Wj = 96 витков провода ПЭЛ (или ПЭВ-1) диаметром 1,07 мм.
Поскольку трансформатор имеет малые мощность и габариты, катушки
можно изготовить бескаркасными. Толщина катушки b < с/2 = 9 мм,
ее высота hK ^ 71 мм.
Число витков в слое первичной обмотки
nx = (h -1,5)/0,52 = 133,
Число слоев
П1сл = w; /133 = 820 /133 = 6 слоев + 22 витка.
Число витков в слое вторичной обмотки
n2=(h-l,5)/l,07 = 64,
Число слоев
п2сл = w2 / 64 = 96/64 = 1 слой +32 витка.
Обмотки наматывают на деревянной оправке, изготовленной в точ-
ном соответствии с размерами участка магнитопровода, на котором
будут расположены катушки (18-25-71 мм). К торцам оправки прикре-
пляют щечки.
Примечание.
Несмотря на то, что обмоточные провода покрыты эмалевой
изоляцией и потому обладают высокой электрической прочно-
стью, обычно между слоями обмотки прокладывают дополни-
тельную, например, бумажную изоляцию.
Чаще всего для изолирования обмоток от магнитопровода и между
собой применяют трансформаторную бумагу толщиной 0,1 мм.
Рассчитаем максимальное напряжение между двумя соседними слоями
первичной обмотки
UCT=2nre = 2-133-0,1295 = 34,5 В.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
59
Поскольку напряжение между слоями
небольшое, дополнительную изоляцию
можно укладывать через слой или сде-
лать ее более тонкой, например, исполь-
зовать конденсаторную бумагу.
Между первичной и вторичными
следует поместить экранирующую
обмотку— один незамкнутый виток
разрезать
15...20
f
У
со
Рис. 1.56. Порядок намотки обмоток
трансформатора
тонкой медной фольги или один слой обмоточного провода, которая
препятствует проникновению помех из сети во вторичные обмотки и
наоборот.
Сначала оправку обматывают тремя слоями бумажной ленты
(рис. 1.36), лепестки ленты приклеивают к щечкам. Затем наматывают
первичную обмотку, прокладывая каждый слой изоляцией. Между пер-
вичной, экранирующей и вторичными обмотками прокладывают два
слоя изоляции. Общая толщина изготовленных катушек не превышает
8 мм.
Проверка трансформатора
Собранный трансформатор сначала проверяют в режиме холостого
хода — без нагрузки. При сетевом напряжении 220 В ток в первичной
обмотке составляет:
а напряжение на вторичных обмотках составляет:
Напряжение на вторичных обмотках можно точно измерить только
вольтметром с высоким входным сопротивлением. Окончательно
напряжение на вторичных обмотках трансформатора измеряют при
номинальной нагрузке.
1.8. Расчет автотрансформатора
D
Определение.
Автотрансформатор - электрический трансформатор, часть
обмотки которого принадлежит одновременно первичной и вто-
ричной цепям.
Внешний вид автотрансформатора представлен на рис. 1.37.
60
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
При питании первичной обмотки АХ от сети
переменного тока в сердечнике возбуждается
магнитный поток, наводящий в ней противо-
ЭДС, рис. 1.38 [116].
На участке ах, являющемся вторичной
цепью, устанавливается напряжение, пропор-
циональное числу его витков.
Ток вторичной цепи 12 проходит по участку
ах, а ток первичной 1Х — по всей обмотке
АХ. При подключении нагрузки RH на часть
обмотки АХ токи 1г и 12 имеют встречное
направление, и поэтому по обмотке АХ будет проходить разность токов
lax= h " h- Эт0 позволяет выполнить обмотку АХ проводом меньшего
сечения.
С с
а б в
Рис. 1.38. Схемы автотрансформатора:
а - понижающего; б - универсального (повышающе-понижающего); в - трехфазного
Автотрансформатор, рис. 1.38, а, — понижающий, т. к. Wx > W2.
Автотрансформатор с изменяющимся коэффициентом трансформации
может плавно регулировать напряжение от 0 до 1,ШВХ, рис. 1.38, б. В
трехфазных автотрансформаторах обмотки обычно соединяются звез-
дой и имеют вывод на нейтральную точку (рис. 1.38, в).
В автотрансформаторе напряжение и ток в первичной и вторич-
ной обмотках связаны такими же соотношениями, как и в транс-
форматорах:
где U2 и Ux — напряжения во вторичной и первичной обмотках;
w2 и wt — число витков в соответствующих обмотках;
К — коэффициент трансформации.
Мощность, получаемая во вторичной обмотке (мощность автотранс-
форматора):
P2 = PaT = U2.I2.
В случае понижающего трансформатора
I = 12 — 1Х или 12 = I + lv
Поэтому
Отсюда следует, что Рат состоит из двух слагаемых:
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 61
♦ мощности Рт = U2-I, предаваемой на вторичную обмотку за счет
трансформаторной (магнитной) связи между обеими цепями;
♦ мощности Рэ = и2-1!, передаваемой из первичной обмотки во
вторичную за счет одновременной электрической связи между
обмотками.
Мощность Рт является той мощностью, на которую нужно рассчиты-
вать автотрансформатор:
♦ для понижающего Рт = Рат(1 - К);
♦ для повышающего Рт = Рат(1 - 1/К).
Площадь поперечного сечения сердечника
Число витков обмотки, приходящееся на 1 В напряжения:
wo = 45OOO/(B-H),
где Н — магнитная индукция сердечника; В — намагничивающая сила.
Число витков каждой из обмоток
wi=wo'ui;
w2 = w0-U2.
Внимание.
Обмотка автотрансформатора при длительной работе не должна
нагреваться выше 65 °С Во избежание этого плотность тока в
проводе не должна превышать 2-2,2 А на 1 мм2 его сечения.
Диаметр провода вычисляется по формуле
d = 0,8 VI,
где d — диаметр провода обмотки, мм;
I — ток в соответствующей обмотке, А.
Ток, потребляемый автотрансформатором из сети
ii
Ток нагрузки
1.9. Расчеты силовых трансформаторов
и автотрансформаторов
Иногда приходится самостоятельно изготовлять силовой трансфор-
матор для выпрямителя. В этом случае простейший расчет силовых
трансформаторов мощностью до 100—200 Вт проводится следующим
образом [112].
62 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Зная напряжение и наибольший ток, который должна давать вторич-
ная обмотка (U2 и 12), находим мощность вторичной цепи. При наличии
нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложе-
ния мощностей отдельных обмоток.
Далее, принимая КПД трансформатора небольшой мощности, рав-
ным около 80 %у определяем первичную мощность:
Р1 = Р2/0,8 = 1,25Р2.
Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через
магнитный поток в сердечнике. Поэтому от значения мощности ?г
зависит площадь поперечного сечения сердечника S, которая возрас-
тает при увеличении мощности.
Для сердечника из нормальной трансформаторной стали можно рас-
считать S по формуле:
где площадь поперечного сечения сердечника S — в сантиметрах ква-
дратных; а значение мощности Рг — в ваттах.
По значению S определяется число витков wr на один вольт. При
использовании трансформаторной стали
, 50
w =—.
S
в
Совет.
Если приходится делать сердечник из стали худшего качества,
например, из жести, кровельного железа, стальной или железной
проволоки (их надо предварительно отжечь, чтобы они стали
мягкими), то следует увеличить Suw'na треть.
Теперь можно рассчитать число витков обмоток
w^w'-Up w2 = w'-U2 ит.д.
Совет.
В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряже-
ния на сопротивлении вторичных обмоток. Поэтому для них реко-
мендуется число витков брать на 5-10% больше рассчитанного.
Ток первичной обмотки
Диаметры проводов обмоток определяются по значениям токов и
исходя из допустимой плотности тока, которая для трансформаторов
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 63
принимается в среднем 2 А/мм2. При такой плотности тока диаметр
провода без изоляции любой обмотки в миллиметрах определяется по
табл. 1.17 или вычисляется по формуле:
d = 0,8Vl.
Когда нет провода нужного диаметра, то можно взять несколько сое-
диненных параллельно более тонких проводов. Их суммарная площадь
сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитан-
ному одному проводу. Площадь поперечного сечения провода опреде-
ляется по табл. 1.17 или рассчитывается по формуле:
s«O,8d2.
Совет.
Для обмоток низкого напряжения, имеющих небольшое число вит-
ков толстого провода и расположенных поверх других обмоток,
плотность тока можно увеличить до 2,5 и даже 3 А/мм2, т. к. эти
обмотки имеют лучшее охлаждение.
Тогда в формуле для диаметра провода постоянный коэффициент
вместо 0,8 должен быть соответственно 0,7 или 0,65.
В заключение следует проверить размещение обмоток в окне сер-
дечника. Общая площадь сечения витков каждой обмотки находится
умножением числа витков w на площадь сечения провода, равную
0,8d2M3, где dM3 — диаметр провода в изоляции. Его можно опреде-
лить по табл. 1.17, в которой также указана масса провода. Площади
сечения всех обмоток складываются. Чтобы учесть ориентировочно
неплотность намотки, влияние каркаса изоляционных прокладок
между обмотками и их слоями, нужно найденную площадь увеличить
в 2—3 раза. Площадь окна сердечника не должна быть меньше значе-
ния, полученного из расчета.
В качестве примера рассчитаем силовой трансформатор для выпря-
мителя, питающего некоторое устройство с электронными лампами.
Пусть трансформатор должен иметь:
♦ обмотку высокого напряжения, рассчитанную на напряжение
600 В и ток 50 мА;
♦ обмотку для накала ламп, имеющую U = 6,3 В и I = 3 А
♦ сетевое напряжение 220 В.
Определяем общую мощность вторичных обмоток:
Р2 = 600 • 0,05 + 6,3 • 3 = 30 + 18,9 = 49 Вт.
Мощность первичной цепи
Pi = 1,25-49 = 60 Вт.
64
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Характеристики проводов марок ПЭЛ-1 и ПЭШО
Диаметр провода, мм
без изоляции
0,08
0,10
0,12
0,13
0,17
0,20
0,25
0,31
0,35
0,41
0,49
0,55
0,59
0,64
0,69
0,74
0,80
0,86
0,93,
1,00
с изоляцией.
ПЭЛ-1
0,095
0,115
0,135
0,165
0,185
0,215
0,270
0,340
0,380
0,440
0,525
0,590
0,630
0,680
0,730
0,790
0,850
0,910
0,980
1,050
ПЭШО
-
0,165
0,185
0,215
0,235
0,280
0,330
0,400
0,440
0,505
0,585
0,650
0,690
0,740
0,790
0,850
0,910
0,970
1,040
1,120
•>
Таблица 1.17
Масса 100 м провода, г
ПЭЛ-1
4,6
7,3
10,4
15,2
20,6
28,5
44,5
68,8
87,4
120
171
215
247
291
342
389
449
524
612
707
ПЭШО
-
8,9
12,3
18,4
23,0
31,2
48,0
73,3
92,4
126
178
223
256
301
353
401
462
535
627
724
Находим площадь сечения сердечника из трансформаторной стали:
S = V60«7,7cm2.
Число витков на один вольт
w=—6,5.
Ток первичной обмотки
1Х = 60/220 = 0,27 А.
Число витков и диаметр проводов обмоток для первичной обмотки
w1= 6,5-220 = 1430, ^ = 0,87027 =0,41 мм.
Число витков и диаметр проводов обмоток для повышающей
обмотки w2 = 6,5-600 = 3900 (возьмем 4000);
d2 = 0,8^0,05 =0,18 мм.
Число витков и диаметр проводов обмоток для обмотки накала ламп
w3 = 6,5 • 6,3 = 41 (возьмем 45);
(13 = 0,65>/з = 1,1
Предположим, что окно сердечника имеет площадь сечения 5-3 = 15 см2
или 1500 мм2, а у выбранных проводов диаметры с изоляцией следующие:
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 65
dlM3 = 0,44 мм; d2M3 = 0,2 мм; d3jl3 =1,2 мм.
Проверим размещение обмоток в окне сердечника. Находим пло-
щади сечения обмоток.
Площади сечения для первичной обмотки
0,8-0,442-1430* 250 мм2.
Площади сечения для повышающей обмотки
0,8-0,22-4000* 128 мм2.
Площади сечения для обмотки накала ламп
0,8-1,22-45* 52 мм2.
Общая площадь сечения обмоток составляет примерно 430 мм2.
в
Примечание.
Общая площадь сечения обмоток в три с лишним раза меньше
площади окна и, следовательно, обмотки разместятся нормально.
Расчет автотрансформатора имеет некоторые особенности. Его сер-
дечник надо рассчитывать не на полную вторичную мощность Р2, а
только на ту ее часть, которая передается магнитным потоком и может
быть названа трансформируемой мощностью Рт. Эта мощность опреде-
ляется по формулам, приведенным ниже.
Для повышающего автотрансформатора мощность составляет:
Рт = Р2(1-п).
Для понижающего автотрансформатора мощность составляет:
РТ = Р2 4 1-i], причем п = --Ц
Примечание.
Если автотрансформатор имеет отводы и будет работать при
различных значениях п, то в расчете надо брать значение п, наи-
более отличающееся от единицы, т. к. в этом случае значение РТ
будет наибольшее и надо, чтобы сердечник мог передать такую
мощность.
Затем определяется расчетная мощность Р, которая может быть при-
нята равной
Р=1,15-Рт.
Множитель 1,15 учитывает КПД автотрансформатора, который
обычно несколько выше, чем у трансформатора.
Далее применяются формулы расчета:
♦ площади сечения сердечника (по мощности Р);
♦ числа витков на вольт;
♦ диаметров проводов, указанные выше для трансформатора.
66 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
При этом надо иметь в виду, что в части обмотки, являющейся общей
для первичной и вторичной цепей, ток равен:
1г -12, если автотрансформатор повышающий;
I2 - lv если он понижающий.
1.10. Расчет трансформаторов импульсных
источников питания
Принцип действия импульсных источников питания
Импульсные источники питания являются инверторной системой.
В импульсных источниках питания переменное входное напряжение
сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобра-
зуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определен-
ной скважности:
♦ или подаваемые на трансформатор (в случае импульсных источ-
ников питания с гальванической развязкой от питающей сети);
♦ или подаваемые напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных
источников питания без гальванической развязки).
В импульсных источниках питания стабилизация напряжения обе-
спечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная
связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно
постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряже-
ния и величины нагрузки.
Обратную связь можно организовать разными способами. В слу-
чае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей
сети наиболее распространенными способами являются использование
связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или
при помощи оптрона.
В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от
выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе
ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, исполь-
зуется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом,
источник питания поддерживает стабильное выходное напряжение.
Одним из основных компонентов импульсных источников питания
(ИИП) является импульсный трансформатор. От точности его расчета
и качества изготовления зависят важнейшие параметры и характери-
стики импульсных источников питания [85]:
♦ коэффициент полезного действия (КПД);
♦ весовые характеристики;
♦ габаритные размеры;
♦ надежность.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
67
Разработанная методика расчета [46] дает результат, весьма далекий
от верного. Проанализируем некоторые допущения методики и допол-
ним известные расчет и его улучшение [71], основываясь не только на
теоретических основах, но и на практике изготовления двухтактных
ИИП с импульсными трансформаторами.
В литературе [46, 71] КПД принят равным 80 %. По логике расчетов
это КПД трансформатора, хотя в [46] сказано, что это КПД преобразо-
вателя.
Обычно в преобразователе ИИП мощностью от 100 до 500 Вт в диапа-
зоне частот от 10 до 100 кГц КПД трансформатора составляет 95—99 %, а
общий КПД всего источника — более 80 %.
Необоснованно заниженный КПД снижает расчетное значение габа-
ритной мощности трансформатора, повышает используемую мощность
и величину прямоугольной состав-
ляющей тока ключевых транзисто-
ров, что может привести к нера-
циональному выбору последних.
Расчет становится значительно
более точным, если не задаваться
КПД трансформатора, а его опре-
делять по усредненной зависи-
мости от суммарной мощности
нагрузки и частоты [S3], показан-
л
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
0,86
0,84
V
1
1
//
t
■ч
У
ч,
\
*
^ 100 кГц
4 50 кГц
4 10 кГц
4 5 кГц
—=
ттт
■■
£Ё
SS
■■■■
50 100 150 200 250 300 Рн,Вт
Рис. 1.39. Зависимость КПД
трансформатора от его мощности и
рабочей частоты
ной на рис. 1.39.
Зависимость построена согласно экспериментальным данным для
магнитомягких никель-цинковых и марганец-цинковых ферритовых
магнитопроводов различной марки и конфигураций.
В справочных данных [76] указано, что при напряженности магнит-
ного поля Нм = 800 А/м для ферритов марки 2000НН Внас = 0,25 Тл, а для
2000НМ Внас = 0,39 Тл.
Начальная магнитная проницаемость цнач составляет:
♦ для ферритов марки 2000НН рнач = 2000 (+400/-200);
♦ для ферритов марки 2000НМ цнач = 2000 (+500/-300).
Примечание.
Если ферритовое изделие подвергались тряске, ударам (явление
шок-эффекта), то его /7нач может значительно уменьшиться.
Влияние механических нагрузок на электромагнитные параметры
сердечников зависит от направления вектора вызываемых ими
механических напряжений относительно направления вектора
напряженности рабочего поля.
68 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
К максимальным изменениям параметров ферритовых магнито-
проводов приводят механические напряжения, действующие перпен-
дикулярно или параллельно направлению магнитного поля. В этих слу-
чаях величины изменения электромагнитных параметров одинаковы и
могут различаться только знаком. При склеивании разбитых сердечни-
ков их магнитные свойства меняются незначительно [76].
У современных магнитопроводов Внас может достигать 1 Тл и более.
Лучше всего использовать ферриты, специально предназначен-
ные для работы в сильных магнитных полях. Они в обозначении
имеют букву «С». Можно использовать марганец-цинковые ферриты
25ООНМС1 и 3000НМС, которые применяются в ТВС телевизионных
приемников, так как они обладают малыми магнитными потерями в
сильных магнитных полях и высокими значениями магнитной индук-
ции при высоких температурах и подмагничивании.
Кроме того, справочная величина Внас = 0,39 Тл указана для работы
образца из материала 2000НМ при синусоидальной форме напряжения.
Примечание.
Особенностью работы импульсных трансформаторов импульс-
ного источника питания является наличие импульсного напряже-
ния, отличного от гармонического.
Форма импульсов обычно прямоугольная с защитной паузой на нуле-
вом уровне. Внас магнитопровода, работающего при таком напряжении,
меньше, чем если бы оно было при напряжении синусоидальной формы.
Магнитная проницаемость ц, индукция В и напряженность поля Н
связаны между собой соотношением:
ц = В/(Н-р0),
где \х0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума.
При приближении частного цикла перемагничивания к предель-
ному циклу петли гистерезиса магнитная проницаемость будет умень-
шаться. Это происходит потому, что с ростом тока через обмотку воз-
растает напряженность поля Н, но замедляется увеличение индук-
ции В. В момент насыщения сердечника I -> <», Н -> «>, р -> 0, и L -* 0.
Сопротивление обмотки становится из индуктивно-активного чисто
активным.
Примечание.
Потеря магнитных свойств материала сердечника приводит к
выходу из строя преобразователя ИИП.
С уменьшением р индуктивность обмотки уменьшается, и возрас-
тает ток через обмотку. Это приводит к разогреву сердечника. С ростом
температуры магнитопровода \х возрастает. Так, для феррита 2000НН с
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 69
повышением температуры от 0 до + 60 °С значение р возрастает от 1750
до 2500. Для 2000НМ с ростом температуры от -15 до +160 °С \х увели-
чивается от 2000 до 2800.
При дальнейшем росте температуры \х будет резко уменьшаться.
Таким образом, в определенных пределах получается компенсация.
Можно предположить, что для кольцевого сердечника эффективная
магнитная проницаемость внутри частного цикла петли гистерезиса
будет примерно равна начальной цэфф * рнач. Поэтому в расчетах для
простоты согласно [76] будем принимать для частного цикла \хэфф = цнач.
Примечание.
В качестве сердечников ненасыщающихся импульсных трансфор-
маторов двухтактных импульсных источниках питания требу-
ется применять материалы с непрямоугольной петлей гистере-
зиса [53].
Из-за несимметричности плеч преобразователя, обусловленной неи-
дентичностью параметров транзисторов, а в схемах с отводом от сере-
дины первичной обмотки трансформатора — отсутствием симметрии
полуобмоток, происходит подмагничивание сердечника постоянной
составляющей тока первичной обмотки.
Примечание.
Если применить магнитопровод с прямоугольной петлей гисте-
резиса, то такое подмагничивание приведет к резкому изменению
петли гистерезиса, и в момент коммутации ключевых транзи-
сторов сердечник войдет в насыщение. Через транзисторы будут
протекать импульсы токов, различных по величине. В результате
тепловые режимы транзисторов смежных плеч будут резко
отличаться.
Внимание.
Неправильным выбором материала магнитопровода объясняется
выход из строя транзисторов только в одном из плеч преобразо-
вателя.
Если преобразователь автогенераторный, а силовой или переключа-
тельный трансформатор работает в режиме с заходом в область насы-
щения, то в качестве материала их сердечников, согласно [53], можно
использовать феррит с прямоугольной петлей гистерезиса.
С ростом частоты магнитная проницаемость ферритов уменьшается,
а потери в них возрастают [76].
В справочниках приводят значения граничных частот применения
феррита. Граничная частота та, при которой тангенс угла потерь равен
0,1. Магнитные потери зависят от индукции, частоты, свойств феррита
70 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
и типа катушки. Граничная частота тороидальных катушек со сплошной
намоткой меньше, чем для катушек других типов, например, цилин-
дрических [76].
Совет.
Частоту преобразования импульсного источника питания сле-
дует задавать меньше граничной частоты материала выбран-
ного сердечника.
Итак, если сердечник уже выбран, то перед расчетом весьма жела-
тельно измерить его индукцию насыщения Внас и определить \х. Также
весьма желательно измерить габаритные размеры магнитопровода, а
не принимать данные типоразмера.
Экспериментально определим
gi ,—[^a-^i_j—^ а )—f , Внас и Ннас. Для измерения соберем
установку, показанную на рис. 1.40.
Так как трансформатор дол-
жен работать не на гармонических
Рис 1.40. Экспериментальная установка колебаниях, а на прямоугольных
для определения величин внас и ннас импульсах напряжения, то и изме-
рять индукцию следует при воз-
действии меандра на образец. В качестве генератора мощных прямоу-
гольных импульсов в радиолюбительской практике наиболее подходит
вспомогательный импульсный источник, с гальванически развязываю-
щего трансформатора которого снимаются импульсы.
Магнитопровод L1 примем ферритовый, кольцевой формы.
Обмотка наматывается равномерно по всей длине кольца для
исключения насыщения отдельных областей, а не всего сердеч-
ника. Настраиваем генератор так, чтобы он выдавал прямоугольные
импульсы с частотой, на которой будет работать трансформатор в
основной конструкции.
Резистор R1 — балластный. Он нужен для предотвращения выхода из
строя вспомогательного ИИП в случае, если движок переменного рези-
стора R2 находится в крайнем правом по схеме положении. Мощность
резистора R2 — около 50 Вт. Исходно движок R2 установлен в крайнее
левое по схеме положение. С помощью резистора R2 будем повышать
напряжение, прикладываемое к обмотке L1, и ток через нее.
По следующим формулам будем рассчитывать В и Н для различ-
ных значений токов и напряжений, показываемых высокочастотными
амперметром РА1 и вольтметром PV1.
тт I-w „ U- IR
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
71
где В, Тл и Н, А/м — искомые индукция и напряженность поля образца;
I, А и U, В — измеренные РА1 и PV1 переменные ток через обмотку
L1 и напряжение, прикладываемое к обмотке;
w — количество витков в пробной обмотке;
/ср л, м — длина средней линии магнитопровода (находится, исходя
из внешнего и внутреннего диаметра тороидального сердечника по
формуле из этапа 7 ниже приведенного расчета);
R, Ом — омическое сопротивление обмотки;
F, Гц — частота работы генератора G1;
Sc, м2 — площадь сечения магнитопровода (находится согласно
эпапа 5 расчета).
Совет.
Снимая показания амперметра и вольтметра, следует помнить,
что измерения проводятся при воздействии несинусоидального
напряжения, то есть требуется учитывать коэффициент формы
импульсов.
Для измерений можно использовать осциллограф. После проведе-
ния измерений требуется резистором R2 плавно уменьшить ток через
обмотку для минимизации остаточной
намагниченности сердечника и отключить
установку. Рассчитав по выше указанным
формулам В и Н, требуется построить гра-
фик. Он должен получиться таким, как
показано на рис. 1.41.
График можно разбить на три участка:
♦ на первом участке происходит рост
ИНДУКЦИИ при увеличении напря-
женности. Этот участок можно ап-
проксимировать прямой;
♦ на втором участке наблюдается замедление роста индукции,
может наблюдаться прогиб характеристики вогнутостью вниз;
♦ на третьем участке — индукция практически не возрастает при
значительном увеличении напряженности.
Третий участок, так же, как и первый, можно аппроксимировать пря-
мой. Продлим аппроксимирующие прямые, и от точки их соединения
опустим перпендикуляры на оси. В точке пересечения перпендикуляра
с осью Н будет иметь место максимальная напряженность поля Нт, а в
точке пересечения перпендикуляра с осью В будет наблюдаться индук-
ция насыщения магнитопровода Внас.
Экспериментально определить ц кольцевого магнитопровода можно
согласно [140].
в Тл
в'нас'
Нт НА/М
Эксперимента^ый график
зависимости В(Н)
72 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Для этого равномерно по всей длине кольца наматывают пробную
катушку, содержащую w2 витков. Затем измеряют ее индуктивность и
вычисляют магнитную проницаемость сердечника по формуле:
2500 L
Ц~ w?.h.(D-d) '
где L1 — измеренная индуктивность катушки в микрогенри;
D, d и h — размеры сердечника в мм (внешний, внутренний диаме-
тры и высота).
Примечание.
При определении индуктивности надо помнить, что соединитель-
ные провода прибора также имеют индуктивность. Эту пара-
зитную индуктивность следует определить и вычесть из общей
измеренной индуктивности, чтобы получить значение только
для катушки. Длина выводов обмотки должна быть минимальна
(несколько миллиметров).
Часто у радиолюбителей возникают трудности с расчетом емкостей
конденсаторов делителя напряжения полумостового преобразователя.
Емкость каждого из конденсаторов можно приближенно рассчитать по
формуле из [S3] или несколько точнее [54]:
4FAUC'
где I2max — амплитуда полного тока первичной обмотки, А;
F — частота преобразования, Гц;
AUC — разряд конденсатора за время прохождения через него
импульса полного тока I2max, В;
С — емкость конденсатора, Ф.
Совет.
При этом нужно следить, чтобы Д1/с/1/питпр < 0,25, а если неравенство
не выполняется, то уменьшить Д(7С путем увеличения емкости.
Значение переменной составляющей напряжения, приложенной к
конденсатору, не должно превышать максимально допустимой спра-
вочной величины для данного типа детали.
Пример. Допустим, IImax= 2 A, F = 50 кГц, AUC = 40 В, ипитпр = 310 В.
Тогда С > 2/(4 • 50 • 103 • 40) = 0,25 • 10"6, или 0,25 мкФ.
Проверяем AlVU^np = 40/310 = 0,13, что меньше 0,25. Емкость в
250 нФ — минимальная при заданных данных. Ее величину требуется
увеличить до ближайшей в ряду емкостей — до 0,33 мкФ.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 73
Примечание.
При выборе конденсатора следует помнить, что для многих
типов деталей номинальная емкость на высокой частоте суще-
ственно уменьшается.
Как отмечалось в [71], в расчете [46] принято напряжение пита-
ния преобразователя равным 285 В, хотя на выходе выпрямителя оно
составляет 310 В. Ничего удивительного в этом нет — автор [46] привел
пример расчета конкретного импульсного источника питания из [47].
А по схеме между сетевым выпрямителем и преобразователем уста-
новлен активный фильтр, на котором падает 25 В. Значит, при расчете
трансформаторов необходимо задаваться напряжением питания пре-
образователя, которое может совпадать с выпрямленным напряжением.
В методике расчета [46] предполагается, что на первичную обмотку
трансформатора поступают прямоугольные импульсы вида меандра.
Исходя из этого выполняется дальнейший расчет.
Однако, так как любые транзисторы обладают инерционностью рас-
сасывания носителей зарядов, то возникает сквозной ток в момент
переключения транзисторов.
Внимание.
Этот сквозной ток в сумме с прямоугольной и треугольной состав-
ляющими тока первичной обмотки может привести к кратковре-
менному превышению используемой мощности над габаритной. При
этом магнитопровод войдет в насыщение, и импульсный источник
питания выйдет из строя.
Примечание.
Для защиты от сквозного тока используют защитные паузы между
импульсами задающего генератора. При этом трансформатор
отдает в нагрузку мощность не все время, т. к. образуется времен-
ной интервал, когда оба транзистора оказываются закрытыми.
В таком режиме работы для обеспечения заданной выходной мощ-
ности через транзисторы текут большие токи, нежели чем получается
по расчету [71].
Если длительность запертого состояния транзисторов становится
равной 5—10 % от длительности импульса, то это обязательно необхо-
димо учитывать при расчете.
В радиолюбительских конструкциях защитные паузы стараются
делать минимальной длительности, поэтому если tM»tn, то можно при
расчете задержками пренебречь. В автогенераторных преобразователях
tn складывается из времени рассасывания носителей зарядов в тран-
зисторах и времени переключения вспомогательного насыщающегося
трансформатора.
74 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Пока заряд в транзисторе не рассосется, не начнется процесс пере-
магничивания сердечника вспомогательного трансформатора. Если Рн
поддерживается постоянной, то увеличение паузы за счет перемагни-
чивания повышает импульсы тока транзисторов.
В резонансных и квазирезонансных импульсных источниках пита-
ния форма тока, протекающего через обмотки трансформаторов, имеет
вид колоколообразных импульсов.
Внимание.
В таких импульсных источниках питания элементы преобразова-
теля подвергаются 4-5 кратным перегрузкам по току. Это сле-
дует помнить:
♦ и при выборе типов ключевых транзисторов;
♦ и при проведении расчетов.
Следует заметить, что ни по [46,71], ни по ниже приведенной мето-
дике, резонансные и квазирезонансные ИИП расчитывать не следует.
В них расчет импульсного трансформатора ведется относительно
системы реактивных элементов преобразователя, включая паразитные.
Учитывая сказанное выше, основываясь на [46, 71] и дополняя [53,
54, 88,182], можно составить упрощенную методику расчета импульс-
ного тороидального трансформатора двухтактного преобразователя.
Предположим, что у трансформатора только одна выходная обмотка,
защитная пауза между импульсами пренебрежимо мала, выходная
мощность ИИП Рн может быть от 25 Вт до 5 кВт и частота преобразова-
ния F от 4 кГц до 500 кГц, нагрузка — чисто активная.
Исходные данными для расчета
Исходные данными для этого расчета следующие:
ипит — постоянное напряжение, питающее преобразователь;
дипит — допустимое повышение напряжения ипит;
Внас — индукция насыщения магнитопровода;
цэфф — эффективная магнитная проницаемость сердечника;
F — частота преобразования;
UH — напряжение, подводимое к нагрузке;
1Н — ток, потребляемый нагрузкой;
D — внешний диаметр тора;
d — внутренний диаметр тора;
h — высота тора.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 75
Порядок расчета
Этап 1. Мощность, потребляемая нагрузкой:
где Рн — мощность, потребляемая нагрузкой, в ваттах;
1Н — ток нагрузки в амперах;
UH — напряжение на нагрузке в вольтах.
Этап 2. Напряжение питания преобразователя:
TJ = II + пит' пит
U ПИТ.Пр "" U ПИТ "*" л лл >
где ипитпр и ипит — в вольтах; AUnMT — в процентах, обычно 10—20 %.
Этап 3. Определяем возможный КПД трансформатора согласно
рис. 1.39 по эмпирической формуле (1):
О)
где F — частота в килогерцах; Рн — мощность в ваттах;
у\ — КПД, обычно получается от 0,750 до 0,985.
Этап 4. Рассчитываем используемую мощность трансформатора:
Рисп = Рн/Л>
где Рисп и Рн — мощности в ваттах; г| — КПД трансформатора.
Этап 5. Рассчитываем пощадь сечения магнитопровода:
где Sc — в метрах квадратных; D, d и h — в метрах.
Этап 6. Рассчитываем площадь окна магнитопровода:
So = n-d2/4,
где So — в метрах квадратных; d — в метрах.
Этап 7. Определяем длину средней линии магнитопровода:
D+d
где L^Dnd — в метрах.
76 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Этап 8. Принимаем значение максимальной индукции Вт для част-
ного цикла петли гистерезиса:
Вт = (0,5-0,75)Внас,
где Вт и Внас — в теслах.
Из [54] известно:
♦ принимать значение Вт меньше 0,5-Внас не рационально, т. к.
необоснованно увеличиваются размеры трансформатора;
♦ принимать значение Вт больше 0,75-Внас запрещается, т. к. по-
вышается вероятность насыщения магнитопровода.
Принимаем Вт равным среднему значению между 0,5 и 0,75, то есть 0,625.
Этап 9. Габаритная мощность трансформатора в общем случае рас-
считывается по формуле:
где Ргаб — в ваттах; Sc и So — в сантиметрах квадратных; F — в герцах;
Вт — в теслах; ц — КПД трансформатора, определяется по формуле
(1) или из графика, рис. 1.39; J — плотность тока в обмотках, А/мм2.
Согласно [182] была выведена эмпирическая формула:
i-w-IL, (3)
>/Ггаб
где J — в А/мм2, Ргаб — в ваттах.
о
Примечание.
Плотность тока должна быть тем больше, чем меньше мощ-
ность, выше частота, ниже температура окружающей среды.
Если примем одинаковую для всех мощностей и частот J = 1,87 А/мм2,
то при расчете по формуле (2), подставляя исходные данные из [71],
получим значения Ртах, приведенные в [71].
В расчете [71] не учитывалось, что КПД и плотность тока трансфор-
матора зависят от частоты, мощности, сопротивления провода, темпе-
ратуры перегрева.
s — число стержней сердечника, на которых расположены обмотки.
Т. к. используем кольцевой магнитопровод, то s = 1.
kc — коэффициент заполнения ферромагнитным материалом пло-
щади поперечного сечения магнитопровода [S3].
к<, = S^Sc, где SC4 — чистое сечение материала.
Согласно [182], коэффициент 1^, учитывающий эффективное запол-
нение площади поперечного сечения сердечника магнитопровода фер-
ромагнетиком, для ферритов равен 1. км — коэффициент заполнения
окна медью обмоток. kM = Scm/So, где Scm — чистое сечение меди. км
зависит от марки меди и габаритной мощности.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 77
В литературе [182] принято, что к^ = 0,15 при Рн > 15 Вт и к„ = 0,1 при
Рн« 15 Вт.
Наш расчет предполагает, что Рн ^ 25 Вт, значит, принимаем км = 0,15.
кф — коэффициент формы преобразовываемого напряжения. Для
прямоугольной формы импульсов кф = 1, а для синусоидальной кф = 1,11.
Т. к. исходные данные формулы (3) зависят от рассчитываемой вели-
чины, то вычисление следует выполнять итерационно. Ввиду большой
трудоемкости, расчет итерационным методом следует выполнять на
компьютере. Трудностей итерации можно избежать, приняв значение I
или вычислив Ргаб по формуле, приведенной в статье [46], которая дает
значительно менее точный результат, но пригодный для первоначаль-
ной оценки кольца:
Ргаб = Sc- So -F -Bm/150,
где Ргаб — мощность в ваттах; Sc и So — площади сечений в квадратных
сантиметрах; F — частота в герцах; Вт — индукция в теслах.
мощности выбранное кольцо можно использовать. Можно продолжать
расчет.
Если правая часть выражения оказалась больше Ргаб, то требуется
либо повысить частоту преобразования (если это позволяют характери-
стики материала сердечника и элементы импульсного источника пита-
ния), либо применить магнитопровод больших размеров. Ргаб и Рисп — в
ваттах, ДРгаб — в процентах — согласно [71] примем 20 %.
Этап 11. Напряжение первичной обмотки трансформатора:
Р АР
Этап 10. Осуществляем проверку. Если Ргаб >РИСП+-^ ^, то по
для полумостовой схемы иг = пит'пр - 2 • Ц^ нас,
для мостовой схемы: Ux = UnMTnp~2-UK3Hac,
для схемы со средней точкой: Ux = 2-ипитпр — UK3Hac.
В этих формулах икэ нас — падение напряжения на переходе коллек-
тор-эмиттер (или сток-исток) насыщенного ключевого транзистора. Ulf
ипит.пРиикэнас~ввольтах.
Этап 12. Определяем число витков первичной обмотки трансфор-
матора^]:
w, = 1
где Uj — в вольтах; F — в герцах; Вт — в теслах; Sc — в метрах квадрат-
ных; Wj — в витках; кс = 1 и кф = 1 — причина объяснена выше на
этапе 9.
78 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Этап 13. Находим индуктивность первичной обмотки трансформа-
тора [71,88]:
T1_wi
ср.л
где \х0 = 4л-10"7 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость вакуума;
Йэфф — эффективная магнитная проницаемость материала сердеч-
ника; L1 — в генри; щ — число витков; Sc — в метрах квадратных;
/ср л - в метрах.
Этап 14. Учитывая [71], определяем амплитудные значения токов.
Найдем амплитуду прямоугольной составляющей тока первичной
обмотки трансформатора:
для полумостовой и мостовой схем Ilmax = Рисп/Uj;
для схемы со средней точкой Ilmax= 2-P^/Uj;
В этих формулах Ilmax — в амперах, Рисп — в ваттах, Ux — в вольтах.
2-Р
Для полумостовой схемы: Ilmax = -^- ,
пит.пр * кэ.нас
для мостовой схемы: т р*сп
xlmax n _ 2 тт '
пит.пр
р
для схемы со средней точкой: Ilmax=
исп
lmax"
пит.пр кэ.нас
В этих формулах Ilmax - в амперах, Рисп - в ваттах, ипит<пр и UK,Hac - в
вольтах.
Этап 15. Амплитуда треугольной составляющей тока первичной
обмотки трансформатора:
для схемы полумостового и мостового преобразователя I = 1-—,
U 4FL1
для схемы со средней точкой I = 1-—,
max 4FL1
В этих формулах 1тах — в амперах, иг — в вольтах, F — в герцах, L1 — в
генри.
Этап 16. Осуществляем проверку: если амплитуда треугольной
составляющей тока превысила 10 % от величины амплитуды прямоу-
гольной составляющей тока первичной обмотки трансформатора, то
полагаем, что форма тока первичной обмотки не близка к прямоуголь-
ной. Значит, если: Imax > 0,Mlmax, то необходимо применить магнитопро-
вод с иными параметрами.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 79
А если левая половина неравенства меньше правой, то можно про-
должать расчет.
Этап 17. Амплитуда полного тока первичной обмотки:
Ilmax И ^ - ТОКИ В ЭМПвраХ.
Этап 18. Диаметр провода первичной обмотки
где IImax — ток в амперах, dj — в миллиметрах.
Если используется литцендрат, то диаметр можно определить и так
[182]:
где IZmax —ток в амперах; dx — диаметр в миллиметрах; J — в амперах
на миллиметр квадратный; N — число параллельных проводов в
обмотке.
Если применяется одножильный провод, то N = 1.
Этап 19. Число витков вторичной обмотки:
w2 = w1-UH/U1,
где wx и w2 — количество витков; UH и \JX — в вольтах.
Этап 20. Диаметр провода вторичной обмотки:
где 1Н — ток в амперах, d2 — диаметр в миллиметрах.
Упрощенный расчет на этом завершен. Для более точного расчета
требуется, зная результаты упрощенного, итерационно заново опре-
делить КПД трансформатора и плотность тока, учитывая суммарные
потери мощности.
Суммарные потери, согласно [54], складываются из потерь в прово-
дах первичной и вторичной обмоток, потерь на вихревые токи в маг-
нитопроводе, потерь на скин-эффект — явления вытеснения тока на
поверхность из толщи проводника на высокой частоте, и потерь в изо-
ляции.
Пример расчета суммарных потерь в трансформаторе приведен в
[182].
80 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
1.11. Компьютерный расчет трансформатора
Факторы, влияющие на расчет трансформатора
Точный расчет трансформатора является чрезвычайно сложной
задачей, зависящей от многих обстоятельств:
♦ особенностей материала сердечника (например, модуля Юнга и
коэффициента Пуассона);
♦ формы и температуры;
♦ способов намотки обмоток и пропитки;
♦ жесткости крепления трансформатора многого другого.
D
Примечание.
При этом результаты более точного расчета будут всего на еди-
ницы процентов отличаться от полученных при приближенном
расчете при условии ввода верных дополнительных данных. Из
выше сказанного можно сделать вывод, что в радиолюбительской
практике вполне достаточно упрощенного расчета.
Бесплатная программа расчета
трансформатора Transformer 2.0.0.0
Для пользователей, желающих рассчитать трансформатор, написана
бесплатная программа Transformer 2.0.0.0 [133], которая позволяет рас-
считать импульсный трансформатор двухтактного ИИП на низкоча-
стотном феррите по приведенной выше методике с приемлемой сте-
пенью точности.
Основные характеристики программы Transformer 2.0.0.0
Диапазон допустимых мощностей нагрузки, Вт 25—5000.
Диапазон допустимых частот преобразования, кГц 4—500.
Наличие инсталлятора и деинсталлятора есть.
Поддерживаемые операционные системы . * Windows XP.
Объем дистрибутива, кб 438.
Требуемое место на жестком диске, Мб 1,22.
Последняя версия программы — Transformer 3.0.0.0.
Для работы в программе сначала определимся со схемой преобра-
зователя. Для этого в основном окне (рис. 1.42) нажимаем на кнопку с
изображением соответствующей схемы.
Откроется новое окно. Когда новое окно открыто, основное окно
становится недоступно, а вернуться в основное окно можно, нажав на
кнопку «Закрыть» в новом окне. Вписываем в поля ввода исходные дан-
ные и нажимаем на кнопку «Рассчитать!».
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
81
J -
Расе транс ф<
i tfi i.41»i\jH~-r
Рас. 1.42. Рабочее окно программы Transformer 2.0.0.0
В группе элементов результатов расчета появятся значения, или
будет выведено окно с сообщением о неверных исходных данных.
о
Примечание.
Такие окна будут появляться всякий раз, если мы производим
расчет с исходными данными, приводящими к выходу из строя
импульсного источника питания, если он будет реализован на
практике, либо с синтаксической ошибкой ввода.
Окна такого же вида будут появляться при недопустимых промежу-
точных и конечных результатах расчета.
В каждом окне дана подсказка о том, как нужно скорректировать
исходные данные для получения верного результата. Более 330 встро-
енных проверок обеспечивают получение оптимальных результатов,
предотвращают ошибки пользователя. Расчет с помощью данной про-
граммы займет минуты, тогда как расчет вручную отнимет несколько
часов.
1.12. Расчет схем выпрямителей
После выбора схемы выпрямителя, сглаживающего фильтра и типа
выпрямительных диодов можно приступать к полному расчету пара-
метров требуемого трансформатора (если его предполагается исполь-
зовать) и режимов работы всех элементов выпрямителя [31].
Ниже приводится возможный порядок таких расчетов.
Этап 1. Определяем сопротивления вторичной обмотки трансфор-
матора Ггр и вентилей при прямом смещении гпр, по их значениям нахо-
дим сопротивление фазы выпрямителя г:
82 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
=
41
41 iH f в Vi,6uH-iH'
где В — магнитная индукция, Тл;
j — средняя плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм2;
f — частота входного напряжения, Гц.
в
Примечание.
На практике для выпрямителей мощностью менее 10 Вт
выбирают г * (0,07-0,l)Rn, а для выпрямителей мощностью
10-100 Вт rmp * (0,05-0,08)RH.
Сопротивление вентилей при прямом смещении гпр может быть най-
дено из справочных данных на конкретный вид диодов:
__ Unpmax ^пртах
пр"1 *~3i '
хпр max ^*пр ср
Для однополупериодной и двухполупериодной схемы выпрямления
со средней точкой сопротивление вентилей при прямом смещении:
r-Inp + W
Для мостовой схемы выпрямления (где ток протекает через два
последовательно включенных вентиля) сопротивление вентилей при
прямом смещении:
г-г-Гщ+г^ + Кф.
Сопротивление Иф — это активное сопротивление сглаживающего RC
фильтра (Яф > 0 только, если в выпрямителе есть такой фильтр), для этих
фильтров обычно принимается Кф * (0,1—0,25)1^.
Этап 2. Определяем характер нагрузки выпрямителя (активно-
емкостная или индуктивная).
Выпрямитель с выходным емкостным или резистивно-емкостным
фильтром считается нагруженным на активно-емкостную нагрузку,
а выпрямитель с фильтром, начинающимся на индуктивность — на
индуктивную нагрузку.
Для случая активно-емкостной нагрузки рассчитываем вспомога-
тельный коэффициент А:
А = — для однополупериодных выпрямителей;
U
н
А = — для двухполупериодных выпрямителей.
н
Определив коэффициент А с помощью графиков (рис. 1.43 и
рис. 1.44), находим другие вспомогательные коэффициенты: F, D, В, Н.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
83
Требуемый коэффициент пульсаций
на выходе однофазного однополупериод-
ного выпрямителя с емкостным фильтром
Kj, может быть получен при правильном
выборе емкости сглаживающего конден-
сатора. Для определения емкости конден-
сатора выходного емкостного фильтра
используется следующая формула:
С = Н(Р)/(г.Кп),
где Н(р) — вспомогательный коэффи-
циент, значение которого нахо-
дится по графику (рис. 1.43);
Кп — заданный коэффициент пуль-
саций;
Р — угол отсечки, константа, зави-
сящая от емкости конденсатора,
сопротивления нагрузки, частоты
входного напряжения и т. п., которая отражает длительность вре-
менного интервала в одном периоде колебаний внешнего напря-
жения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии.
Коэффициент пульсаций напряжения Кп на выходе выпрямителя с
емкостным фильтром может быть найден по формуле:
K
1500
1200
900
600
300
л
>
/
ЯОД1
А
-tonoj
Bfa
/
Дл
■ вы
nynej
ипря
/
/
ядв\
прям
эиод
мите
у
гхпол
ител
пых
лей>
/
упер
ей
у
иодь
/
/
ых
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 А(р)
Рис. 1.43. График зависимости Н($)
где f—частота входного переменного напряжения.
D(p) F(P)
2,8
2,4
2,0
1,6
1,2
- 14
- 12
- 10
- 8
- 6
0,8«- 4
\\
\к
\\
I
\
>
—
— -
— —
— —
— ■
— I.
■ !■
■ —
— ■
— ■
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 А(р)
Рис. 1.44. Графики для расчета коэффициентов F, В, D
В(Р)
1,7
1,5
1,3
1,1
0,9
0,7
84
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Коэффициент m зависит от схемы выпрямителя:
♦ т=1 для однофазного однополупериодного выпрямителя;
♦ т=2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпря-
мителей.
Этап 3. По формулам в табл. 1.18 вычисляем требуемые параметры
трансформатора (т. е. исходные данные для его последующего расчета)
и основные характеристики выпрямителя:
♦ действующие значения напряжения и2д и тока 12д вторичной об-
мотки трансформатора;
♦ минимальная требуемая мощность вторичной обмотки транс-
форматора Р2;
♦ коэффициент использования трансформатора по мощности
♦ максимальное обратное напряжение на диодах Uo6pmax;
♦ среднее 1прср, действующее 1прд и максимальное Inpmax значения
прямого тока диодов;
♦ частота fn и коэффициент Кп пульсаций на выходе выпрямителя.
Базовые формулы для расчета выпрямителей различных типов Таблица 1.18
Тип
выпрямителя
Однофазный
однополу-
периодный
Однофазный
двухполу-
периодный со
средней точкой
Однофазный
мостовой
Тип
нагрузки
R
RC
RL
R
RC
RL
R
RC
RL
Режим работы диодов
7lUH
2BV2Uh
7tUH
яин
2B>/2UH
2 н
BV2UH
2 H
npcp
К
L
I
Ь
i'-
Ii.
1,
I'"
'пр.
-'„
2
о\
f
2 "
ч
21,
ь
ч
Параметры
вторичной обмотки
трансформатора
и*
(фазное)
V2
в-и„
72
72
2BUH
V2
2>/2 н
в-ин
2ч/2 н
^
721„
V2,b
DV2
2 н
IH
2V2
B-D-PH
7ГРН
4>/2
BDPH
Ур«
BD
2л/2
кП
1,57
Н
гС
1,57
0,66
Н
гС
0,66
0,66
Н
гС
0,66
fax
2fBX
2fBX
2fBX
2f8X
2fBX
2fBX
0,324
0,47
-
0,676
0,545
0,748
0,773
0,66
0,9
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
85
Таблица 1.18 (продолжение)
Тип
выпрямителя
Трехфазный
однополу-
периодный
Трехфазный
мостовой
(схема
Ларионова)
Тип
нагрузки
R
R
Режим работы диодов
Uo6pmax
—ч,
§"■
1...
'ярд
0,5871н
0,5781н
!'-
Параметры
вторичной оомотки
трансформатора
(фазное)
зУз,
1,5РН
^-
0,25
0,057
fn
3fBX
0,74
0,91
1.13. Упрощенный расчет выпрямителя
Выпрямители источников питания транзисторной аппаратуры
обычно строят по схеме, рис. 1.4S [24, 154]. Трансформатор Т пони-
жает напряжение осветительной сети до некоторого необходимого
значения, диоды VD1—VD4, включенные по мостовой схеме, выпрям-
ляют это напряжение, а конденсатор фильтра Сф сглаживает его пуль-
сации. Резистор RH символизирует нагрузку, питающуюся от выпря-
мителя.
При конструировании сетевого
блока питания сначала с учетом
конкретной нагрузки рассчитывают
параметры выпрямителя, а затем
по полученным результатам — его
трансформатор.
Исходные параметры при рас- Рис. 1.45. Схема двухполупериодного
чете выпрямителя: выпрямителя
UH — требуемое напряжение на нагрузке, которое, как правило, равно
напряжению на выходе фильтра выпрямителя Uo;
1Н — максимальный ток, потребляемый нагрузкой.
VD1-VD4
в
Примечание.
От этих данных, определяемых конкретным радиотехническим
устройством, зависит выбор диодов для выпрямителя, мощность
сетевого трансформатора и числа витков в его вторичной и пер-
вичной обмотках.
Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора Un
подсчитывают по формуле:
86
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
где А — коэффициент, численное значение которого зависит от тока
нагрузки (табл. 1.19).
Зная ток нагрузки, определяют максимальный ток, текущий через
каждый диод выпрямительного моста:
Iv=0,5ZIHmax,
где Z — коэффициент, зависящий от максимального тока нагрузки,
табл. 1.19.
Значения нормирующих коэффициентов Аи Z
в зависимости от максимального тока нагрузки
Коэффициент
А
Z
Таблица 1.19
Максимальный ток нагрузки, А
ОД
0,8
2,4
0,2
1,0
2,2
0,4
1,2
2,0
0,6
1,4
1,9
0,8
1,5
1,8
1,0
1,7
1,8
Обратное напряжение диодов, используемых в выпрямителе, должно
быть в 1,5 раза больше напряжения питания, т. е.
Uo6p=l,5UH.
Емкость фильтрующего конденсатора Сф в мкФ определяют по фор-
муле:
„ 32001u
где Кп — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, харак-
теризующий отношение амплитудного значения переменной
составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему
значению выпрямленного напряжения.
о
Примечание.
Чем больше емкость фильтрующего конденсатора и меньше ток,
потребляемый нагрузкой, тем меньше пульсация выпрямленного
напряжения и, следовательно, слабее прослушивается фон пере-
менного тока в динамической головке или громкоговорителе
радиотехнического устройства.
Для большинства любительских транзисторных конструкций допу-
стим коэффициент пульсаций питающего напряжения Кп = 0,01.
Номинальное напряжение фильтрующего конденсатора не должно
быть меньше напряжения на выходе выпрямителя, иначе он может ока-
заться пробитым более высоким напряжением.
Трансформатор выпрямителя рассчитывают в такой последователь-
ности. Сначала определяем максимальное значение тока, который
будет течь во вторичной обмотке:
41= 1>
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
87
Далее подсчитывают максимальную мощность, Вт, потребляемую
выпрямителем от вторичной обмотки:
P2 = U2I2.
Затем рассчитываем мощность самого трансформатора:
Р =
rTP
Площадь сечения магнитопровода S (см2), соответствующую расчет-
ной мощности трансформатора, определяют по формуле:
где 1,3 — постоянный усредненный коэффициент.
Рассчитав магнитопровод трансформатора, определяют число вит-
ков первичной и вторичной обмоток по формулам:
551L
w2=-
Диаметр проводов обмоток трансформатора (в мм) можно опреде-
лить из табл. 1.20 или по формуле:
где 10бм — ток в обмотке, мА.
Познакомившись с методикой расчета выпрямителя, можно присту-
пить к расчету сетевого источника питания.
Выбор диаметра проводов обмоток трансформатора
для разных токов в обмотке трансформатора Таблица 1.20
1 мД
<25
25-60
60-100
100-160
d,MM
од
0,15
0,2
0,25
1 мА
'обм» мм
160-250
250-400
400-700
700-1000
d,MM
0,3
0,4
0,5
0,6
Для примера приведем реальный расчет выпрямителя. За исход-
ные данные принимаем: UH = 9 В, IHmax = 0,1 А (с некоторым запасом),
U2 = 22OB.
На вторичной обмотке трансформатора должно быть переменное
напряжение (с учетом коэффициента А из табл. 1.19):
U2 = A-UH = 0,8-9*7B.
Ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста, составит
(с учетом коэффициента Z из табл. 1.19):
Iv = 0,5 • Z-IHjnax = 0,5-2,4-0,1 = 0,12 А.
Емкость конденсатора фильтра (при коэффициенте пульсаций
выпрямленного напряжения Кп = 0,01) может быть:
Сф = 3200-IHjnax/(UH-Kn) = 3200-0,1/9-0,01 * 3500 мкФ.
88 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
D
Примечание.
Можно использовать электролитический конденсатор емкостью
4000-5000 мкФ, например, К50-6, на номинальное напряжение 10 В.
Теперь определим значение тока во вторичной обмотке трансфор-
матора:
I2 = l,5-Lax= 1,5-0,1 =0,15 А.
Мощность, потребляемая выпрямителем от вторичной обмотки
трансформатора, будет:
P2 = U2-I2 = 7-0,15*1 Вт.
Таким образом, мощность самого трансформатора выпрямителя
должна составить:
РТР = 1,25-Р2 = 1,25-1 = 1,25 Вт.
Для трансформатора такой мощности можно использовать магнито-
провод с минимальной площадью сечения сердечника:
S = 1,3 ^ = 1,3 1,1 «1,4 см2.
Предположим, подобран магнитопровод УШ12Х12 (площадь попе-
речного сечения сердечника принимаем равной 1,4 см2). В таком случае
первичная обмотка, рассчитанная на напряжение сети 220 В, должна
содержать
щ = 50-iyS = 50-220/1,4 = 7856 витков.
Вторичная обмотка должна содержать
w2 = 55-U/S = 55-7/1,4 = 275 витков.
Для первичной обмотки трансформатора можно использовать про-
вод диаметром 0,1—0,12 мм, а для вторичной можно использовать про-
вод диаметром 0,2—0,25 мм.
Примечание.
На практике для сетевых трансформаторов источников пита-
ния транзисторной аппаратуры используют магнитопроводы,
площадь сечения которых значитеаьно превышает расчетную
(обычно не менее 3-4 см2). Это позе ляет уменьшить число вит-
ков в обмотках, выполнять их проводами большего диаметра и
использовать трансформаторы для источников питания другой
аппаратуры.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 89
1.14. Расчет фильтров высоких и низких частот
Назначение фильтров
Определение.
Фильтры высоких и низких частот - электрические цепи, состо-
ящие из элементов, обладающих нелинейной амплитудно-частот-
ной характеристикой - имеющих разное сопротивление на раз-
ных частотах [158].
Фильтры используют для снижения уровня пульсаций на выходе
выпрямителя, для выделения сигнала из помех, для подавления фона
переменного тока и т. д. Порядок расчета фильтров вне зависимости от
их назначения не меняется.
Частотные фильтры можно поделить
на две основные группы (рис. 1.46):
♦ фильтры верхних (высоких) частот;
♦ фильтры нижних (низких) частот.
Фильтры средних частот, это, как
правило, либо комбинация двух филь-
тров НИЖНИХ И ВерХНИХ ЧаСТОТ, ЛИбо Рис. 1.46. АЧХ фильтров верхних
другого рода полосовой фильтр. и ниших частот
Для характеристики фильтров низких и высоких частот, да и не
только фильтров, а любых элементов радиосхем, существует понятие —
амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).
Характеристики частотных фильтров
Определения.
Частота среза - это частота, на которой происходит спад
амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от вход-
ного сигнала.
Крутизна частотной характеристики фильтра - это харак-
теристика фильтра, показывающая, насколько резко происходит
уменьшение амплитуды выходного сигнала фильтра при измене-
нии частоты входного сигнала. В идеале нужно стремиться к мак-
симальному (вертикальному) спаду АЧХ.
Частотные фильтры изготавливаются из элементов, обладающих
реактивными сопротивлениями — конденсаторов и катушек индуктив-
ности. Реактивные сопротивления используемых в фильтрах конденса-
торов Хс и катушек индуктивности XL связаны с частотой формулами:
90 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Расчет фильтров в Microsoft Excel
Расчет фильтров до проведения экспериментов с использованием
специального оборудования (генераторов, спектр-анализаторов и
других приборов) в домашних условиях проще сделать в программе
Microsoft Excel, создав простейшую автоматическую расчетную
табличку. В нее подставляют данные, получают расчет, который перено-
сят на бумагу в виде графика АЧХ, меняют параметры, и снова рисуют
точки АЧХ. В таком способе не надо разворачивать «лабораторию изме-
рительных приборов», расчет и рисование АЧХ производится быстро.
D
Примечание.
Следует добавить, что расчет фильтра тогда будет верен, когда
будет выполняться правило: для обеспечения точности фильтра
необходимо, чтобы значение сопротивления элементов фильтра
было приблизительно на два порядка меньше (в 100 раз) сопро-
тивления нагрузки, подключаемой к выходу фильтра. С уменьше-
нием этой разницы, качество фильтра ухудшается.
Связано это с тем, что сопротивление нагрузки влияет на качество
частотного фильтра. Если не нужна высокая точность, то эту разницу
можно снизить до 10 раз.
Разновидности фильтров
Существует несколько разновидностей фильтров:
♦ одноэлементные (конденсатор— как фильтр высоких частот,
или дроссель — как фильтр низких частот);
♦ Г-образные — по внешнему виду напоминают букву Г, обращен-
ную в другую сторону;
♦ Т-образные — по внешнему виду напоминают букву Т;
♦ П-образные — по внешнему виду напоминают букву П;
♦ многозвенные — те же Г-образные фильтры, соединенные по-
следовательно.
Расчет RC Г-образных фильтров
в
Определение.
Г-образный фильтр высоких, или низких частот - делитель
напряжения, состоящий из двух элементов с нелинейной АЧХ. Для
Г-образного фильтра действует схема и все формулы для дели-
теля напряжения.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 91
RC Г-образные частотные фильтры высоких частот получается
путем замены резистора R1 делителя напряжения на конденсатор С,
обладающий своим реактивным сопротивлением Хо рис. 1.47.
R2 UBI
Рис. 1А7. Синтез RC-фильтра высоких частот
Принцип действия такого фильтра: конденсатор, обладая малым
реактивным сопротивлением на высоких частотах, пропускает ток бес-
препятственно, а на низких частотах его реактивное сопротивление
максимально, поэтому ток через него не проходит.
Величину сопротивлений резисторов можно определить следующим
образом:
ruR2mjimR2 >
вых и вх
Принимая входное напряжение за 1 (единицу), а выходное напряже-
ние за 0,7 (значение, соответствующее срезу), определим реактивное
сопротивление конденсатора:
у ~ * _pi
с 2^ГС"
Подставив значения напряжений, найдем Хс и частоту среза.
Можно делать расчеты и в обратном порядке. С учетом того, что
амплитуда выходного напряжения фильтра (как делителя напряжения)
на частоте среза АЧХ должна быть равна 0,7 от входного напряжения,
следует, что отношение сопротивления резистора R2 к сопротивлению
резистора R1 (Хс) соответствует:
R2/R1= 0,7/0,3 = 2,33.
Отсюда следует:
C = l,16/R2-n-f,
где f — частота среза АЧХ фильтра.
Фильтр низких частот получается путем замены резистора R2 дели-
теля напряжения на конденсатор С, обладающий своим реактивным
сопротивлением Хс, рис. 1.48.
Принцип действия такого фильтра: конденсатор, обладая малым
реактивным сопротивлением на высоких частотах, шунтирует токи
высоких частот на корпус, а на низких частотах его реактивное сопро-
тивление максимально, поэтому ток через него не проходит.
92 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
m
0—С
UBx
0
-J T
—I
—0
| ивых
—0
•> —г—
1
Рис. 1.4Я. Синтез RC-фильтра низких частот
Используем приведенные выше формулы:
r2puIhR2
вых вх
Принимая входное напряжение за 1 (единицу), а выходное напряже-
ние за 0,7 (значение, соответствующее срезу), зная, реактивное сопро-
тивление конденсатора, которое равно:
^*2
Подставив значения напряжений, найдем Xq и частоту среза.
Как и в случае с фильтром высоких частот, расчеты можно делать и в
обратном порядке. С учетом того, что амплитуда выходного напряжения
фильтра (как делителя напряжения) на частоте среза АЧХ должна быть
равна 0,7 от входного напряжения, следует, что отношение сопротивле-
ния резистора R2 (Хс) к сопротивлению резистора R1 соответствует:
R2/R1 = 0,7/0,3 = 2,33.
Отсюда следует:
С = l/(4,66-Rl-n-f),
где f — частота среза АЧХ фильтра.
Расчет RL Г-образных фильтров
Фильтр высоких частот, рис. 1.49, получается путем замены рези-
стора R2 делителя напряжения на катушку индуктивности L, обладаю-
щую своим реактивным сопротивлением XL.
Принцип действия такого фильтра: индуктивность, обладая малым
реактивным сопротивлением на низких частотах, шунтирует их на кор-
пус, а на высоких частотах ее реактивное сопротивление максимально,
поэтому ток через нее не проходит.
— о R1
R2M UBblx Z±> Uov
Рис 1.49. Синтез RL-фильтра высоких частот
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 93
Используя те же формулы и принимая входное напряжение за
1 (единицу), а выходное напряжение за 0,7 (значение, соответству-
ющее срезу), определим реактивное сопротивление катушки индук-
тивности:
XL=27ifL = R2.
Подставив значения напряжений, найдем XLn частоту среза.
Как и в случае с фильтром высоких частот, расчеты можно делать и в
обратном порядке. С учетом того, что амплитуда выходного напряжения
фильтра (как делителя напряжения) на частоте среза АЧХ должна быть
равна 0,7 от входного напряжения, следует, что отношение сопротивле-
ния резистора R2 (XJ к сопротивлению резистора R1 соответствует:
R2/R1= 0,7/0,3 = 2,33.
Отсюда следует: L = l,16Rl/(nf).
Фильтр низких частот, рис. 1.50, получается путем замены рези-
стора R1 делителя напряжения на катушку индуктивности L, обладаю-
щую своим реактивным сопротивлением XL.
R1 L
R2M UBWX => Ubx R2|
Рис. 1.50. Синтез RL-филыпра низких частот
Принцип действия такого фильтра: катушка индуктивности, обладая
малым реактивным сопротивлением на низких частотах, пропускает
ток беспрепятственно, а на высоких частотах ее реактивное сопротив-
ление максимально, поэтому ток через нее не проходит.
Используя те же формулы и принимая входное напряжение за 1
(единицу), а выходное напряжение за 0,7 (значение, соответствующее
срезу), определим реактивное сопротивление катушки индуктивности:
XL=27ifL = Rl.
Подставив значения напряжений, найдем Хьи частоту среза.
Можно делать расчеты и в обратном порядке. С учетом того, что
амплитуда выходного напряжения фильтра (как делителя напряжения)
на частоте среза АЧХ должна быть равна 0,7 от входного напряжения,
следует, что отношение сопротивления резистора R2 к сопротивлению
резистора Rl (XJ соответствует: R2/R1 = 0,7/0,3 = 2,33. Отсюда следует:
L = R2/(4,66-n-f). .
94 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Расчет LC Г-образных фильтров
Фильтр высоких частот, рис. 1.51, получается из обыкновенного
делителя напряжения путем замены не только резистора R1 на конден-
сатор С, а также резистора R2 на дроссель L. Такой фильтр имеет более
значительный срез частот (более крутой спад) АЧХ, чем указанные
выше фильтры на RC или RL цепях.
R1 С
R2 UBl
-0
Рис. 1.51. Синтез LC-фильтра высоких частот
Как производилось ранее, используем те же способы расчета.
Конденсатор С, обладает своим реактивным сопротивлением Х^ а дрос-
сель L — реактивным сопротивлением XL:
Подставляя значения различных величин — напряжений, входных
или выходных сопротивлений фильтров, можно найти С и L, частоту
среза АЧХ. Можно так же делать расчеты и в обратном порядке. Так,
как переменных величин две — индуктивность и емкость, то чаще всего
задают значение входного или выходного сопротивления фильтра как
делителя напряжения на частоте среза АЧХ, а исходя из этого значения,
находят остальные параметры.
Фильтр низких частот, рис. 1.52, получается путем замены резистора
R1 делителя напряжения на катушку индуктивности L, а резистора R2
на конденсатор С.
R1 L
R2
фсив
1 *
Рис. 1.52. Синтез LC-фильтра низких частот
Как было описано ранее, используются те же способы расчета, через
формулы делителя напряжения и реактивные сопротивления элемен-
тов фильтров. При этом, приравниваем значение резистора R1 к реак-
тивному сопротивлению дросселя XL a R2 к реактивному сопротивле-
нию конденсатора Хс
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
95
Расчет Т-образных фильтров
Т-образные фильтры высоких и низких частот, это те же Г-образные
фильтры, к которым добавляется еще один элемент, рис. 1.53 —
рис. 1.58. Таким образом, они рассчитываются так же как делитель
напряжения, состоящий из двух элементов с нелинейной АЧХ. А после,
к расчетному значению суммируется значение реактивного сопротив-
ления третьего элемента.
Другой, менее точный способ расчета Т-образного фильтра начина-
ется с расчета Г-образного фильтра, после чего значение «первого» рас-
считанного элемента Г-образного фильтра увеличивается, или уменьша-
ется в два раза — «распределяется» на два элемента Т-образного фильтра.
Если это конденсатор, то значение емкости конденсаторов в
Т-фильтре увеличивается в два раза, а если это резистор или дроссель,
то значение сопротивления, или индуктивности катушек уменьшается
в два раза. Преобразование фильтров показано на рис. 1.53 — рис. 1.58.
2С
2С
=> Ub
Рис. 1.53. Преобразование Г-образного RC фильтра высоких частот
в Т-образный RC фильтр высоких частот
R/2
=> UBX =}=С
Рис. 1.54. Преобразование Г-образного RC фильтра низких частот
в Т-образный RC фильтр низких частот
R/2
{=
-0
Рис. 1.55. Преобразование Г-образного RL фильтра высоких частот
в Т-образный RL фильтр высоких частот
ивых
Рис. 1.56. Преобразование Г-образного RL фильтра низких частот
в Т-образный RL фильтр низких частот
96 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
с 2С 2С
0 II ? 0 0 II ? II—0
Рис. 1.57. Преобразование Г-образного LC фильтра высоких частот
в Т-образный LC фильтр высоких частот
L/2
±
Рис. 1.58. Преобразование Г-образного LC фильтра низких частот в
Т-образный LC фильтр низких частот
Особенность Т-образных фильтров заключается в том, что они по
сравнению с Г-образными, своим выходньщ сопротивлением оказывают
меньшее шунтирующее действие на радиоцепи, стоящие за фильтром.
Расчет П-образных фильтров
П-образные фильтры, это те же Г-образные фильтры, к которым
добавляется еще один элемент впереди фильтра, рис. 1.59 — рис. 1.64.
Примечание.
Все, что было написано для Т-образных фильтров справедливо
для П-образных, разница лишь в том, что они по сравнению с
Г-образными, несколько увеличивают шунтирующее действие на
цепи, стоящие перед фильтром.
Как и в случае с Т-образными фильтрами, для расчета П-образных
используют формулы делителя напряжения, с добавлением дополни-
тельного шунтирующего сопротивления первого элемента фильтра.
Другой, менее точный способ расчета П-образного фильтра начи-
нается с расчета Г-образного фильтра, после чего значение «послед-
него» рассчитанного элемента Г-образного фильтра увеличивается,
или уменьшается в два раза — «распределяется» на два элемента
П-образного фильтра.
В противоположность Т-образному фильтру, если это конденсатор,
то значение емкости конденсаторов в П-фильтре уменьшается в два
раза, а если это резистор или дроссель, то значение сопротивления или
индуктивности катушек увеличивается в два раза.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
97
2R 2R UB1
-0
Рис. 1.59. Преобразование Г-образного RC фильтра высоких частот
в П-образный RC фильтр высоких частот
-? 0 0—|—cm—t—0
=j=C UBblx => UBX =j=c/2 C/2=J= UBbJX
-4 0 0 1 1 0
Pwc. 1.60. Преобразование Г-образного RC фильтра низких частот
в П-образный RC фильтр низких частот
Ямс. 1.61. Преобразование Г-образного RL фильтра высоких частот
в П-образный RL фильтр высоких частот
Рис. 1.62. Преобразование Г-образного RL фильтра низких частот
в П-образный RL фильтр низких частот
0-
uBV
2L
2L3 UB!
Рис. 1.65. Преобразование Г-образного LC фильтра высоких частот
в П-образный LC фильтр высоких частот
=4=с ий|
Рис. 1.64. Преобразование Г-образного LC фильтра низких частот
в П-образный LC фильтр низких частот
98 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
D
Примечание.
В связи с тем, что изготовление катушек индуктивности (дроссе-
лей) требует определенных усилий, а иногда и дополнительного
места для их размещения, то более выгодным бывает изготовление
фильтров из конденсаторов и резисторов, без применения катушек
индуктивности. Это особенно актуально на звуковых частотах.
Так, фильтры верхних частот обычно делают Т-образными, а нижних
частот делают П-образными. Есть еще фильтры средних частот, кото-
рые, как правило, делают Г-образными (из двух конденсаторов).
Расчет полосовых резонансных фильтров
Полосовые резонансные частотные фильтры предназначены для
выделения, или режекции (вырезания), определенной полосы частот.
Резонансные частотные фильтры могут состоять из одного, двух, или
трех колебательных контуров, настроенных на определенную частоту.
Резонансные фильтры обладают наиболее крутым подъемом (или спа-
дом) АЧХ, по сравнению с другими (не резонансными) фильтрами.
Полосовые резонансные частотные фильтры могут быть одноэле-
ментными — с одним контуром, Г-образными — с двумя контурами, Т-
и П-образными — с тремя контурами, многозвенными — с четырьмя и
более контурами.
На рис. 1.65 представлена схема Т-образного полосового резонанс-
ного фильтра, предназначенного для выделения определенной частоты.
Состоит он из трех колебательных контуров. C1L1 и C3L3 — последо-
вательные колебательные контуры, на
резонансной частоте имеют малое сопро-
тивление протекающему току, а на дру-
гих частотах наоборот — большое.
^ Параллельный контур C2L2, наобо-
о 4 ._ _ л w „ рот, имеет большое сопротивление на
Рис. 1.65. Т-образный полосовой г „ >
резонансный фильтр резонансной частоте, обладая малым
сопротивлением на других частотах. Для
расширения ширины полосы пропускания такого фильтра уменьшают
добротность контуров, изменяя конструкцию катушек индуктивности,
расстраивая контура «вправо, влево» на частоту, немного отличающу-
юся от центральной резонансной, параллельно контуру C2L2 подклю-
чают резистор.
На рис. 1.66 представлена схема Т-образного режекторного резо-
нансного фильтра, предназначенного для подавления определенной
частоты. Он, как и предыдущий фильтр, состоит из трех колебательных
контуров, но принцип выделения частот у такого фильтра другой. C1L1
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 99
и C3L3 — параллельные колебательные контуры, С1 сз
на резонансной частоте имеют большое сопро-
тивление протекающему току, а на других часто-
тах — маленькое.
L1
L3
Параллельный контур C2L2 наоборот, имеет
г
—*— го
малое сопротивление на резонансной частоте, =t=c2
обладая большим сопротивлением на других 0 \ 0
частотах. Таким образом, если предыдущий рис^ев т-образный
фильтр резонансную частоту выделяет, а осталь- режекторный
ные частоты подавляет, то этот фильтр беспре- резонансный фильтр
пятственно пропускает все частоты, кроме резо-
нансной частоты.
Порядок расчета полосовых резонансных фильтров основан все
на том же делителе напряжения, где в качестве единичного элемента
выступает LC контур с его характеристическим сопротивлением.
1.15. Расчет стабилизаторов напряжения
Схема стабилизатора напряжения: принцип действия
Рассмотрим наиболее простые схемы полупроводниковых ста-
билизаторов напряжения, принципы их работы и правила расчета.
Изложенный ниже материал полезен для конструирования источников
вторичного стабилизированного питания [113].
Начнем с того, что для стабилизации любого электрического пара-
метра должна быть схема слежения за этим параметром и схема управ-
ления этим параметром. Для точности стабилизации необходимо нали-
чие «эталона», с которым стабилизируемый параметр сравнивается.
Если в ходе сравнения оказывается, что параметр больше эталон-
ного значения, то схема слежения (назовем ее схемой сравнения) дает
команду на схему управления «уменьшить» значение параметра. И
наоборот, если параметр оказывается меньше эталонного значения, то
схема сравнения дает команду на схему управления «увеличить» зна-
чение параметра.
На этом принципе работают все схемы автоматического управления
всех устройств и систем, которые нас окружают, разница лишь в способе
контроля и управления параметром. Точно так же работает стабилиза-
тор напряжения, рис. 1.67.
100
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Схема
управления
Эталонное
(опорное)
напряжение
Схема
сравнения
2
Ш
Рис. 1.67. Структурная схема стабилизатора напряжения
Примечание.
Работу стабилизатора можно сравнить с регулировкой воды,
бегущей из водопроводного крана. Человек подходит к крану,
открывает его, а потом, наблюдая за потоком воды, регулирует
его подачу в большую, или меньшую сторону, добиваясь оптималь-
ного для себя потока. Сам человек выполняет функцию схемы срав-
нения, в качестве эталона выступает представление человека о
том, какой поток воды должен быть, а в качестве схемы управле-
ния выступает водопроводный кран, который управляется схемой
сравнения (человеком). Если человек изменит свое представление
об эталоне, решив, что поток воды, бегущий из крана недоста-
точный, то он откроет его больше.
В стабилизаторе напряжения точно так же. Если у нас появляется
желание изменить выходное напряжение, тогда мы можем изменить
эталонное (опорное) напряжение. Схема сравнения, заметив изменение
эталонного напряжения, самостоятельно изменит и выходное напря-
жение.
Резонным будет вопрос: Зачем нам такое нагромождение схем, если
можно на выходе использовать источник уже «готового» эталонного
напряжения? Дело в том, что источник эталонного (далее по тексту —
опорного) напряжения — слаботочный (низкоамперный), поэтому не
способен питать мощную (низкоомную) нагрузку.
Такой источник опорного напряжения можно использовать в каче-
стве стабилизатора для питания схем и устройств, потребляющих малый
ток — КМОП-микросхем, слаботочных усилительных каскадов и др.
Схема источника опорного напряжения (слаботочного стабилиза-
тора) изображена на рис. 1.68. По своей сути — это специальный дели-
тель напряжения, отличие его в том, что в качестве второго резистора
используется специальный диод-стабилитрон. В чем особенность ста-
билитрона?
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 101
Простыми словами, стабилитрон, это такой диод, ^Ubx
который в отличие от обычного выпрямительного А
диода, при достижении определенного значения U +
обратно приложенного напряжения (напряжения ста- ''
билизации) пропускает ток в обратном направлении, 2SVD1
а при его дальнейшем повышении, уменьшая свое
внутреннее сопротивление, стремится удержать его Рис. 1.68. Схема
на определенном значении. USSiSSUSo
На вольтамперной характеристике (ВАХ) стабили- напряжения
трона режим стабилизации напряжения изображен в
отрицательной области прикладываемого напряжения и тока. По мере
увеличения обратного напряжения, прикладываемого к стабилитрону, он
сначала «сопротивляется», иток, протекающий через него минимален.
При определенном напряжении, тойтабилитрона начинает увеличи-
ваться. Достигается такая точка ВАХ (точка 1), после которой дальнейшее
увеличение напряжения на делителе «резистор-стабилитрон» не вызы-
вает увеличения напряжения на р-n переходе стабилитрона. На этом
участке ВАХ происходит увеличение напряжения лишь на резисторе. Ток,
проходящий через резистор и стабилитрон продолжает расти.
От точки 1, соответствующей минимальному току стабилизации,
до определенной точки 2 ВАХ, соответствующей максимальному току
стабилизации стабилитрон работает в требуемом режиме стабили-
зации (зеленый участок ВАХ). После точки 2 ВАХ стабилитрон теряет
свои «полезные» свойства, начинает греться и может выйти из строя.
Участок от точки 1 до точки 2 является рабочим участком стабилизации,
на котором стабилитрон выступает в качестве регулятора.
Зная, как рассчитывается простейший делитель напряжения на рези-
сторах, можно элементарно рассчитать цепь стабилизации (источник
опорного напряжения). Как и в делителе напряжения, в цепи стабилиза-
ции протекают два тока — ток делителя (стабилизатора) 1СТ и ток нагру-
зочной цепи 1,^ В целях «качественной» стабилизации последний дол-
жен быть на порядок меньше первого.
Для расчетов цепи стабилизации используются значения параме-
тров стабилитронов, публикуемые в справочниках:
♦ напряжение стабилизации UCT;
♦ ток стабилизации 1СТ (обычно — средний);
♦ минимальный ток стабилизации ICTmin;
♦ максимальный ток стабилизации ICTjnax.
Для расчета стабилизатора, как правило, используются только два
первых параметра — UCT, ICT, остальные применяются для расчета схем
защиты по напряжению, в которых возможно значительное изменение
входного напряжения.
102 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Для повышения напряжения стабилизации можно использовать
цепочку из последовательно соединенных стабилитронов, но для этого
допустимый ток стабилизации таких стабилитронов должен быть в пре-
делах параметров 1стга1пи ICT.max, иначе существует вероятность выхода
стабилитронов из строя.
в
Примечание.
Простые выпрямительные диоды также обладают свойствами
стабилизации обратно приложенного напряжения, только зна-
чения напряжений стабилизации лежат на более высоких значе-
ниях обратно приложенного напряжения. Значения максималь-
ного обратно приложенного напряжения выпрямительных диодов
обычно указывается в справочниках, а напряжение, при котором
проявляется явление стабилизации, обычно выше этого значения
и для каждого выпрямительного диода, даже одного типа, различно.
Поэтому, используйте выпрямительные диоды в качестве стабили-
трона высоковольтного напряжения только в самом крайнем случае,
когда не сможете найти необходимый Вам стабилитрон, или сделать
цепочку из стабилитронов. В этом случае, напряжение стабилизации
определяется экспериментально. Необходимо соблюдать осторожность
при работе с высоким напряжением.
Порядок расчета стабилизатора напряжения
Расчет простейшего стабилизатора напряжения проведем с рассмо-
трением конкретного примера.
Исходные, предъявляемые к схеме, параметры:
♦ входное напряжение делителя — UBX (может быть стабилизиро-
ванным, а может и нет). Допустим, что UBX= 25 В;
♦ выходное напряжение стабилизации — UBbIX (опорное напряже-
ние). Допустим, что нам необходимо получить UBbIX= 9 В.
Расчет происходит в несколько этапов.
Этап 1. Исходя из необходимого напряжения стабилизации, по спра-
вочнику подбирают необходимый стабилитрон. В нашем случае это
Д814В.
Этап 2. Из таблицы по справочнику находят средний ток стабилиза-
ции — 1СТ. Он равен 5 мА.
Этап 3. Вычисляем напряжение, падающее на резисторе — UR1, как
разность входного и выходного стабилизированного напряжения.
UR1 = UBX-UBbIX = 25-9 = 16B.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 103
Этап 4. По закону Ома делим это напряжение на ток стабилизации,
протекающий через резистор, и получаем значение сопротивления
резистора.
R1 = иК1Дст= 16/0,005 = 3200 Ом = 3,2 кОм.
Если полученного значения нет в резистивном ряде, выберите бли-
жайщий по номиналу резистор. В нашем случае это резистор номина-
лом 3,3 кОм.
Этап 5. Вычисляем минимальную мощность резистора, умножив
падение напряжения на нем на протекающий ток (ток стабилизации).
Pri = UR1 • ICT= 16 • 0,005 = 0,08 Вт.
Примечание.
Учитывая, что через резистор, кроме тока стабилитрона, проте-
кает еще и выходной ток, следует выбирать резистор, мощно-
стью не менее, чем в два раза больше вычисленной.
В нашем случае это резистор мощностью не меньшей 0,16 Вт. По бли-
жайшему номинальному ряду (в большую сторону) это соответствует
мощности 0,25 Вт.
Простейшую цепочку стабилизатора постоянного напряжения
можно использовать для питания схем, в которых используют малые
токи, а для питания более мощных схем они не годятся.
Одним из вариантов повышения нагрузочной способности стабили-
затора постоянного напряжения является использование эмиттерного
повторителя. На схеме, рис. 1.69, изображен каскад стабилизации на
биполярном транзисторе. Транзистор «повто-
ряет» приложенное к базе напряжение.
Нагрузочная способность стабилизатора воз-
растает на порядок. Недостатком такого стабили-
затора, как и простейшей цепочки, состоящей из
резистора и стабилитрона, является невозмож-
ность регулировки выходного напряжения.
Выходное напряжение такого каскада будет
меньше напряжения стабилизации стабилитрона ~ с использованием
на значение падения напряжения на р-n пере- эмиттерного
s r _ ^ ^ повторителя
ходе «база-эмиттер» транзистора. Для кремние-
вого транзистора оно равно 0,6—0,7 В, для германиевого транзистора
составляет 0,2—0,3 В. Обычно грубо считают: 0,65 В и 0,25 В.
Поэтому, например, при использовании кремниевого транзистора,
напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 В, выходное напря-
жение будет на 0,65 В меньше, т. е. 8,35 В.
+UBX
Z
< 1
1 /Г
|ri
5JVD1
+ивых
».
104
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 1.70. Стабилизатор
постоянного напряжения
с использованием
эмиттерного повторителя
на составном транзисторе
Если вместо одного транзистора исполь-
зовать составную схему включения тран-
зисторов, рис. 1.70, то нагрузочная способ-
ность стабилизатора возрастет еще на поря-
док. Здесь также, как и в предыдущей схеме
следует учитывать уменьшение выходного
напряжения за счет его падения на р-n пере-
ходах «база-эмиттер» транзисторов.
В данном случае, при использовании двух
кремниевых транзисторов, напряжении ста-
билизации стабилитрона, равном 9 В, выход-
ное напряжение будет уже на 1,3 В меньше (по
0,65 В на каждый транзистор), т. е. 7,7 В. Поэтому, при проектировании
подобных схем, необходимо учитывать такую особенность и подбирать
стабилитрон с учетом потерь на переходах транзисторов.
Резистор R2 необходим для «гашения» реактивной (емкостной и
индуктивной) составляющей транзистора VT2, оказывающей паразит-
ное влияние на работу транзистора, и обеспечивает надежное его реа-
гирование на входное воздействие. Чем меньше сопротивление рези-
стора, тем меньше паразитное влияние, но слишком малое сопротив-
ление может привести к тому, что транзистор VT2 окажется закрытым,
и в качестве регулирующего элемента окажется только транзистор VT1.
Практически, на схемах стабилизаторов, значение резистора R2 рас-
считывают редко. Бывает, радиолюбители даже ставят такие номиналы,
которые противоречат нормальной работе схем, а сами радиолюбители
даже об этом не подозревают. Поэтому его значение подбирают исходя
из максимального расчетного нагрузочного тока.
Через этот резистор должен протекать ток, приблизительно в 50 раз
меньше максимального нагрузочного тока стабилизатора. Цифра 50 —
это усредненное значение коэффициента передачи силовых транзисто-
ров, работающих в режиме больших токов. Сопротивление резистора
определяется по закону Ома. Значение падения напряжения на пере-
ходе «база-эмиттер» (для кремниевого транзистора 0,65 В) делится
на максимальный ток нагрузки стабилизатора (например, 2,5 А).
Полученное значение умножается на 50. Если Вы используете состав-
ные транзисторы, то это значение может быть больше на 1—2 порядка
(не 50, а 500-5000).
R2 = (tWI^J • 50 = (0,65/2,5) • 50 = 13 Ом.
Рассчитанное таким образом сопротивление позволяет более эффек-
тивно гасить реактивную составляющую выходного транзистора и пол-
ноценно использовать мощностные способности обоих транзисторов.
Не забывайте производить расчет требуемой мощности резисторов,
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 105
иначе все сгорит в неподходящий момент. Выход из строя резистора
R2 может привести к выходу из строя транзисторов и того, что Вы под-
ключите в качестве нагрузки. Расчет мощности стандартный.
Подбор транзистора для стабилизатора
Основные параметры для транзистора в стабилизаторе напряжения:
максимальный ток коллектора, максимальное напряжение «коллектор-
эмиттер» и максимальная мощность. Все эти параметры всегда име-
ются в справочниках.
Во-первых, при выборе транзистора необходимо учитывать, что
паспортный (по справочнику) максимальный ток коллектора дол-
жен быть не менее, чем в полтора раза больше максимального тока
нагрузки, который вы хотите получить на выходе стабилизатора. Это
делается для того, чтобы обеспечить запас по току нагрузки при случай-
ных кратковременных бросках нагрузки (например, короткого замы-
кания). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее
массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.
Во-вторых, максимальное напряжение «коллектор-эмиттер» характе-
ризует способность транзистора выдерживать определенное напряжение
между коллектором и эмиттером в закрытом состоянии. В нашем случае
этот параметр должен также превышать не менее, чем в полтора раза напря-
жение, подводимое к стабилизатору от цепи «трансформатор-выпрямитель-
фильтр питания» вашего блока стабилизированного питания.
В-третьих, паспортная выходная мощность транзистора должна
обеспечивать работу транзистора в режиме «полуоткрытого» состояния.
Все напряжение, которое вырабатывается цепочкой «трансформатор-
выпрямительный мост-фильтр питания» делится на две нагрузки: соб-
ственно, нагрузка вашего блока стабилизированного питания и сопро-
тивление коллекторно-эмиттерного перехода транзистора.
По нагрузкам течет один и тот же ток, поскольку они подключены
последовательно, а вот напряжение делится. Из этого следует, что
необходимо выбрать такой транзистор, который при заданном токе
нагрузки способен выдерживать разницу между напряжением, выра-
батываемым цепочкой «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр
питания» и выходным напряжением стабилизатора. Мощность вычис-
ляется как произведение напряжения на ток.
Пример расчета стабилизатора напряжения
Рассмотрим пример расчета. На выходе цепи «трансформатор-
выпрямительный мост-фильтр питания» (а значит на входе стабили-
106 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
затора напряжения) напряжение равно 18 В. Нам необходимо получить
выходное стабилизированное напряжение 12 В, при токе нагрузки 4 А.
Находим минимальное значение необходимого паспортного тока
коллектора (IKmax):
4-1,5 = 6 А.
Определяем минимальное значение необходимого напряжения
«коллектор-эмиттер» (UK3):
18-1,5 = 27 В.
Находим среднее напряжение, которое в рабочем режиме будет
«падать» на переходе «коллектор-эмиттер», и тем самым поглощаться
транзистором:
18-12 = 6 В.
Определяем потребную номинальную мощность транзистора:
6-4 = 24 Вт.
D
Примечание.
При выборе типа транзистора необходимо учитывать, что
паспортная (по справочнику) максимальная мощность транзи-
стора должна быть не менее, чем в 2-3 раза больше номинальной
мощности, падающей на транзисторе. Это делается для того,
чтобы обеспечить запас по мощности при различных бросках
тока нагрузки (а, следовательно, и изменения падающей мощно-
сти). Следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массив-
ный радиатор охлаждения требуется транзистору
В нашем случае необходимо выбрать транзистор с паспортной мощ-
ностью Р„ не менее 24 • 2 = 48 Вт.
к J
Совет.
Выбираете любой транзистор, удовлетворяющий этим условиям,
с учетом, что чем паспортные параметры будут намного больше
расчетных, тем меньше по размерам потребуется радиатор
охлаждения (а может и вообще не нужен будет). Но при чрезмер-
ном превышении этих параметров учитывайте тот факт, что
чем больше выходная мощность транзистора, тем меньше его
коэффициент передачи h21, а это ухудшает коэффициент стаби-
лизации в источнике питания.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 107
1.16. Компенсационный стабилизатор напряжения
и его расчет
Причины нестабильности питания и меры борьбы с ними
При проектировании источников питания электронной аппаратуры
предъявляются высокие требования к стабильности питающего напря-
жения. Как медленные, так и быстрые колебания (нестабильности и
пульсации) напряжения питания существенно изменяют режимы и
параметры работы радиоэлектронных схем.
Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и
частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямлен-
ного напряжения, колебания влажности окружающей среды. Например,
для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1 %,
требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01 % [64].
Различают компенсационные стабилизаторы напряжения непре-
рывного и импульсного действия.
Определение.
Стабилизаторы напряжения непрерывного действия - это сис-
тема автоматического регулирования, в которой фактическое
значение выходного напряжения сравнивается с заданным значе-
нием эталонного (опорного) напряжения.
Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и дол-
жен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким
образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к задан-
ному уровню.
В качестве источника опорного напряжения обычно исполь-
зуют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами
нагрузки, представляющий собой цепочку, состоящую из резистора и
стабилитрона. В зависимости от способа включения регулирующего
элемента различают компенсационные стабилизаторы последователь-
ного и параллельного типов.
Расчет компенсационного
стабилизатора последовательного типа
Структурная схема компенсационного стабилизатора последова-
тельного типа представлена на рис. 1.71. В этой схеме регулирующий
элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управ-
ляемого балластного сопротивления. Схему, состоящую из регулирую-
108
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
РЭ
+иИ1
ее
ион
Рис. 1.71. Структурная схема
компенсационного стабилизатора
последовательного типа
щего элемента и сопротивления
нагрузки, можно представить как
делитель напряжения, в котором
определенная часть входного
напряжения «падает» на сопро-
тивлении нагрузки, а все осталь-
ное напряжение — на регулиру-
ющем элементе. При этом все
изменения входного напряжения
отражаются не на нагрузке, а на
регулирующем элементе.
Опорное стабилизированное
напряжение формируется источ-
ником опорного напряжения.
Схема сравнения СС сравнивает
выходное напряжение UH с опорным напряжением Uon. Разностный
сигнал рассогласования UH - Uon, формируемый схемой сравнения СС,
поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воз-
действует на регулирующий элемент РЭ.
Если в нагрузке оказывается напряжение UH большее, чем опорное
Uon — имеет место положительный сигнал рассогласования (UH - Uon) > 0,
тогда внутреннее сопротивление РЭ возрастает, и падение напряжения
ирэна нем увеличивается. Т. к. регулирующий элемент и нагрузка вклю-
чены последовательно, то при увеличении ирэ выходное напряжение
уменьшается.
При уменьшении выходного напряжения UH, при отрицательном
сигнале рассогласования (UH - Uon) < 0, наоборот, внутреннее сопротив-
ление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к
возрастанию выходного напряжения UH.
Принципиальная схема компенсаци-
онного стабилизатора напряжения после-
довательного типа на транзисторах при-
ведена на рис. 1.72. Для понимания того,
как работает схема, рассмотрим ее работу
поэлементно.
Источник опорного напряжения
выполнен на резисторе Rg и стабилитроне
VD1. Как он работает и как рассчитывать
элементы этой цепи, описывалось ранее.
Схема сравнения выполнена по прин-
ципу измерительного моста. Это — типо-
вая измерительная схема сравнения, кото-
VT1
Рис. 1.72. Принципиальная схема
компенсационного стабилизатора
напряжения последовательного
типа на транзисторах
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 109
рая довольно часто применяется в различных схемах,
поэтому актуальна не только в стабилизаторах напря-
жения.
Рассмотрим измерительный мост более подробно, URe ,.
рис. 1.73. Для этого изобразим его отдельно от осталь- "~"
ных элементов стабилизатора. — , ■
Источник опорного напряжения 1^ — VD1 и делитель ^V
напряжения Rl, R2, R3 подключены к выходу стабилиза- "Т
тора параллельно. Переменный резистор R2 для нагляд- I—
ности поделен на схеме на две половины — два постоян- +и А
ных резистора R2/1 и R2/2. Если к средним точкам этих Рис. 1.73. Схема
цепочек подключить вольтметр, то он будет реагировать измерительного
на разность напряжений, между этими точками.
А если использовать вольтметр со шкалой, у которой нуль нахо-
дится посередине, тогда наглядно будет видно в какой средней точке
напряжение выше, а в какой ниже. Основное состояние измеритель-
ного моста, которое используется в стабилизаторе напряжения, это —
явление баланса моста, состояние, при котором значение напряжения
в средних точках равно.
Предположим, что сопротивление резисторов R1 и R3 равны, а «пол-
зунок» резистора R2 находится в среднем положении. Тогда сопротив-
ления плеч Rl + R2/1 и R2/2 + R3 равны. Это означает, что на выводе
«ползунка» резистора R2 будет ровно половина находящегося на клем-
мах напряжения. Предположим, что мы подали на клеммы ровно
9 В, тогда в средней точке резисторов будет 4,5 В (ровно половина).
Источник опорного напряжения мы поставим на напряжение стабили-
зации 4,5 В — равное значению средней точки делителя на резисторах
Rl, R2, R3. Поэтому, по причине отсутствия разности потенциалов в
средних точках стрелка вольтметра будет стоять на нуле.
Если мы увеличим напряжение до 10 В, то в средней точке делителя
Rl + R2/1 и R2/2 + R3 напряжение поднимется до 5 В, а на источнике
опорного напряжения оно так и останется 4,5 В (стабилитрон не позво-
лит увеличиться напряжению на своем кристалле) и стрелка вольтметра
отклонится влево на 0,5 В.
Если наоборот, мы уменьшим напряжение до 8 В, то в средней точке
делителя Rl + R2/1 и R2/2 + R3 напряжение уменьшится до 4 В, а на
источнике опорного напряжения оно по-прежнему останется 4,5 В и
теперь, стрелка вольтметра отклонится вправо на 0,5 В.
А теперь вернемся к схеме стабилизатора напряжения, рис. 1.74. В
ней функцию вольтметра выполняет транзистор VT2, который в про-
цессе работы схемы стабилизации используется в «рабочем» усилитель-
ном режиме (полуоткрытом состоянии).
110
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 1.74. Распределение напряжений
в стабилизаторе напряжения
Роль регулирующего элемента
в этой схеме стабилизатора играет
транзистор VT1. Его задача — в случае
нарушения баланса измерительного
моста, определяемого базо-эмиттер-
ным переходом, восстановить этот
баланс путем изменения сопротив-
ления перехода эмиттер-коллектор
управляющего элемента, и как след-
ствие — уменьшение, или увеличение
выходного напряжения.
При увеличении UBX, выходное напряжение возрастает по абсо-
лютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования
напряжения иэ62на входе усилителя постоянного тока, выполненного на
транзисторе VT2. Транзистор, подключенный к средним точкам изме-
рительного моста, «приоткрывается».
Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора
VT2 становится более положительным относительно потенциала земли.
Напряжение эмиттер-база транзистора VT1 уменьшается, что приводит
к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падению
напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается,
стремясь к прежнему значению.
При уменьшении входного напряжения UBX, наоборот, транзистор
VT2 «призакрывается», что приводит к увеличению напряжения база-
эмиттер транзистора VT1, в результате чего сопротивление транзистора
уменьшается, и выходное напряжение повышается, стремясь к номи-
нальному напряжению стабилизации.
Обратите внимание, что на схемах изображалась «точка» подклю-
чения к какому-то источнику напряжения Ео. Для повышения коэффи-
циента стабилизации схемы резистор R^ определяющий базовый ток
регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источ-
нику напряжения — Ео, рис. 1.75.
Если Ео не стабилен, то его коле-
бания передаются через резистор \
на базу регулирующего транзистора
VT1 и ухудшают коэффициент ста-
билизации схемы. Довольно часто
встречаются радиолюбительские
схемы стабилизаторов, в которых
резистор ^подключен напрямую ко
Рис. 1.75. Усовершенствованная схема ВХОДНОМУ контакту -UBX. В резуль-
стабилизатора напряжения тате этого, стабилизатор работает в
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 111
качестве автоматического регулятора «среднего» выходного напряже-
ния, и абсолютно не подавляет никакие пульсации сетевого напряжения.
Лучшим источником стабильного напряжения является гальвани-
ческий элемент, но его использование в большинстве случаев — не
оправдывает себя. В сложных устройствах с несколькими источниками
стабилизированного питания часто для целей стабилизированного
смещения одного более мощного стабилизатора используют выходное
напряжение другого стабилизатора, но с меньшей нагрузкой.
Наиболее простой способ — использовать дополнительный источник
стабильного опорного напряжения, как показано на рисунке. Для исклю-
чения кратковременных скачков напряжения стабилизации, которые
могут быть вызваны бросками входного напряжения, или сопротивления
нагрузки, параллельно стабилитрону добавлен конденсатор С.
Практически постоянно в радиолюбительской практике упускается
важность этого источника опорного напряжения. В простейшем случае
резистор ^подключается напрямую к -UBX, без всяких стабилитронов.
Выбирать Вам — допускать пульсацию, или нет. Три дополнительных
радиоэлемента — резистор, стабилитрон и конденсатор в этой схеме
стабилизатора не помешают.
1.17. Расчет стабилизированного источника питания
Принципиальная схема и ее работа
Расчет стабилизированного источника питания, рис. 1.76, будем
проводить с использованием конкретной схемы.
Большинство источников питания имеет минус на массе, поэтому
выполняя условие — «минус на массе», изменим полярности диодов и
конденсаторов, а, кроме того, тип проводимости транзисторов с р-п-р
на п-р-п.
Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного
стабилизатора в качестве регулирующего элемента будем использовать
составной транзистор.
Примечание.
Использование составного транзистора увеличивает коэффици-
ент стабилизации на величину коэффициента усиления по току
дополнительного транзистора и на порядок увеличивает нагру-
зочную способность стабилизатора напряжения.
Поэтому (см. схему на рис, 1.76) к базовой схеме стабилизатора,
добавим еще один транзистор, VT3. Считаем, что каждый добавлен-
112
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
VT3
Рис. 1.76. Стабилизированный источник питания
ный таким образом транзистор увеличивает нагрузочную способность
в 10—20 раз, но не забываем, что основная часть мощности на него и
«приложится». Поэтому чем мощнее транзистор, тем лучше.
Ток через делитель 1дел, состоящий из Rl, R2, R3, выбирают обычно
на порядок меньше (в 10 раз), чем ток, протекающий по цепи R^ VD1.
D
Примечание.
Увеличение или уменьшение тока делителя за счет снижения или
повышения сопротивлений Rl, R2, R3 нецелесообразно, т. к. при-
водит к существенному уменьшению КПД или чувствительности
схемы к изменению выходного напряжения и его пульсациям.
Резистор R2 предназначен для регулировки стабилизированного
напряжения в небольших пределах. Пределы регулировок выходного
напряжения такого стабилизатора ограничены параметрами стабили-
трона — минимальным и максимальным током стабилизации. Как это
выглядит практически, рассмотрим в процессе расчетов.
Напряжение стабилизации дополнительного источника опорного
напряжения, используемого для смещения транзистора регулирующего
элемента, должно не менее, чем в 1,5 раза превышать значение выход-
ного напряжения стабилизатора. Иначе силовыми транзисторами VT2
и VT3 «нечем будет управлять» — напряжение на эмиттерах будет пре-
вышать базовое, и ни о какой стабилизации речи не будет.
Предыдущее условие накладывает ограничения на нагрузочные
способности стабилизатора потому, что разница входного и выход-
ного напряжения стабилизатора, помноженная на выходной ток, будет
«падать» в виде рассеиваемой мощности на силовых транзисторах.
Поэтому необходимо выбирать транзисторы, способные выдерживать
такую мощность — повторяется правило — чем мощнее транзистор, тем
лучше. Но чем мощнее транзистор, тем меньше у него коэффициент
передачи.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 113
Расчет стабилизатора напряжения
Исходные данные (условные) для расчета таковы:
♦ среднее выходное напряжение стабилизатора — 12 В;
♦ максимальный ток нагрузки стабилизатора — 2 А;
♦ используется трансформатор достаточной мощности, с выход-
ным напряжением 25 В.
При расчетах сложных схем, обычно идут «с конца к началу», поэтому,
можно начать с расчета схем опорного напряжения и сравнения.
Этап 1. Выберем стабилитрон измерительного моста. Стабилитрон
VD1 выбирается со значением напряжения стабилизации, равном поло-
вине выходного напряжения стабилизатора:
12(В)/2 = 6В.
При этом условии обеспечивается наилучшая стабилизация. Но ста-
билитрон на такое напряжение в номенклатуре изделий отсутствует,
поэтому выбираем стабилитрон, максимально близкий по напряжению
стабилизации — КС156А, у которого
Uct=5,6B,Ict=10mA.
Этап 2. Найдем резистор R6. На резисторе падает напряжение
UR6 = UBbIX-UCT=12-5,6 = 6,4B.
Зная падение напряжения и ток стабилизации, по закону Ома опре-
деляем сопротивление резистора
R6 = UR6/IOT = 6,4 В/0,01 А = 640 Ом.
Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному
ряду-620 Ом.
Мощность резистора находим из условия
Pr6 = UR6-IOT-2 = 6,4 (В)Ю,01 (А)-2 = 0,128 Вт.
В формуле множитель 2 обозначает коэффициент запаса по мощности
(чтобы резистор не грелся). Ближайшее наибольшее значение мощно-
сти резистора по номинальному ряду — 0,125 Вт.
Таким образом, параметры F^ — 620 Ом на 0,125 Вт.
Этап 3. Определим возможные значения выходного напряжения
стабилизатора, при которых стабилизация происходит.
Они ограничены предельными токами стабилитрона, стоящего в
мостовой измерительной цепи.
Во-первых, определим минимальное (регулируемое) напряже-
ние стабилизации. По справочнику минимальный ток стабилизации
КС156А = 3 мА, при этом токе значение выходного напряжения стаби-
лизатора составит
= UCT + (ICT.min ■ 1^) = 5,6 (В) + (0,003 • 620) = 7,46 В.
114 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Во-вторых, определим максимальное (регулируемое) напряжение
стабилизации. По справочнику максимальный предельный ток стаби-
лизации КС156А = 55 мА. Это большой ток, при котором стабилитрон
будет греться, и нужны дополнительные меры защиты, поэтому огра-
ничимся значением, в 2 раза превышающем номинальное — 20 мА. При
этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит
UBbIx.max = UCT + (1СТЛШЛ) = 5,6 (В) + (0,02-620) = 18 В.
Поскольку мощность, прикладываемая к резистору, возросла, для
того, чтобы резистор R6 не сгорел от большой прикладываемой мощ-
ности, его мощность следует увеличить до значения
PR6= Ur6-Ict-2 = 12,4 <В)О,02 (А)-2 = 0,5 Вт.
Если необходимо, чтобы стабилизатор выдавал 18 В, то мощность
резистора необходимо увеличить, но если стабилизатор рассчитан на
фиксированное напряжение (в данном случае 12 В), то этого можно не
делать, удовлетворившись расчетом, приведенным на этапе 2.
Этап 4. Рассчитаем делитель Rl, R2, R3,
Известно, что на стабилитроне КС156А падает 5,6 В. В режиме стаби-
лизации транзистор VT1 находится в «рабочей точке», это означает, что
на его переходе база-эмиттер падает напряжение 0,65 В. А это в свою
очередь означает, что на базе должно быть всегда 5,6 + 0,65 - 6,25 В
относительно корпуса стабилизатора. База соединена с «ползунком»
среднего регулировочного резистора, значит, это напряжение 6,25 В
всегда присутствует на его «ползунке».
При максимальном напряжении стабилизации UBbIxmax= 18 В, пол-
зунок находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации
1сттах= 0,02 А, а ток делителя Rl, R2, R3 в 10 раз меньше: 1цепи= 0,002 А.
Следовательно
R3 = 6,25/1цепи = 6,25/0,002 = 3,125 кОм;
Rl + R2 = (UBbIxjnax - икз)Лцепи = 11,75/0,002 = 5,875 кОм.
Суммарное сопротивление
Rl + R2 + R3 = 5875 + 3125 = 9 кОм.
При минимальном напряжении стабилизации UBbIX min = 7,46 В, ток
делителя будет:
1цепи = UBbIx.min/(Rl + R2 + R3) = 7,46/9000 = 0,00083 А.
Найдем значение R1
Rl = (UBbIx.min - 6,25)Дцепи = (7,46 - 6,25)/0,00083 = 1,46 кОм.
Отсюда значение R2
R2 = 5,88 -1,46 = 4,42 кОм.
Округлим значения резисторов до значений номинального ряда:
R1 = 1,5 кОм, R2 = 4,3 кОм (переменный), R3 = 3 кОм.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 115
Этап 5. Рассчитаем второй источник опорного напряжения и смеще-
ния транзистора VT2.
В качестве стабилитрона выбираем Д816А, у которого UCT = 22 В,
1СТ = 10 мА. Найдем RCM.
Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сгла-
живания фильтром равно 25 В, тогда
Rcm = (UTP. > ист)Лот = (25 - 22)/0,01 (А) = 300 Ом.
Мощность резистора:
Prcm = URcm.Ict = 3-0,01 =0,03 Вт.
Ближайшее значение мощности из номинального ряда 0,125 Вт.
Примечание.
Для стабильной работы цепи опорного напряжения RCM VD2 необ-
ходимо, чтобы RK не оказывал на эту цепь шунтирующего дей-
ствия. Поэтому ток Чкдолжен быть не менее, чем в 2 раза меньше
тока стабилитрона.
Кроме того, на нем падает разность между входным и выходным
напряжением:
URK = U^-UBbIx.= 25-12 = 13B.
Отсюда:
К = UrkAIc/2) = 13/0,005 = 2,7 кОм.
Мощность
prk = Urk-Ic/2 = 13-0,005 = 0,0325 Вт.
Ближайшее значение мощности 0,125 Вт.
Этап 6. В качестве VT1 подойдет транзистор КТ315Г. Он удовлетво-
ряет требованиям:
♦ достаточно высокий коэффициент усиления (передачи)
Ь21Э= 50—350;
♦ допустимое напряжение коллектор-эмиттер — 35 В.
В качестве VT2 подойдет транзистор КТ815 с любым буквенным
индексом. Коэффициент передачи Ь21Э = 40—70 обеспечивает усиление
тока резистора Б^с 5 мА до 250 мА.
В качестве VT3 можно взять, например, КТ809А. Коэффициент пере-
дачи h213= 15—100, что обеспечивает усиление тока с 250 мАдо 3,7 А, но
максимальный ток коллектора — 3 А, это по справочнику — предел, нет
«запаса прочности», поэтому ставим два транзлстора в параллель.
При выходном напряжении 12 В и токе 2 А на них должно падать
13 В, таким образом, общая мощность рассеивания транзисторов:
116
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Это вполне приемлемое значение. Для выравнивания мощностей
на транзисторах придется использовать два резистора в эмиттерных
цепях выходных транзисторов 0,05—1 Ом с мощностью по 2 Вт.
Этап 7. Остался один резистор R^ Его расчет приведен ранее.
R3 = 0,65/2-50 = 16 Ом,
где 0,65 — падение напряжения на переходе база-эмиттер, В;
2 — номинальный ток нагрузки — 2 А;
50 — усредненное значение коэффициента передачи транзистора h213.
Итак, рисуем схему стабилизатора, рис. 1.77.
VT4
КТ809А
SA1
Рис. 1.77. Практическая схема стабилизированного источника питания
Полезные дополнения к разделу
При выборе стабилитронов возможно последовательное их соедине-
ние, например, два КС156А (по 5,6 В) можно соединить последовательно
для получения стабилитрона на напряжение стабилизации 11,2 В.
Для возможности регулировки выходного напряжения в более широ-
ких пределах цепочку источника опорного напряжения R3, VD6 (см.
рис. 1.77) подключают не к выходу, а на вход стабилизатора с приме-
нением цепей сглаживания (по аналогии с Rl, VD5 и С2). Естественно,
необходимо пересчитать резистор R3. В результате этого входное
напряжение источника опорного напряжения не зависит от выходного
напряжения, поэтому ток стабилизации номинальный и постоянен.
Другой вариант расширения диапазона стабилизируемых напряже-
ний — использование в качестве одного резистора В^ — галетного пере-
ключателя с несколькими резисторами.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 117
Для повышения нагрузочных свойств стабилизатора, и как следствие
повышения надежности лучше вместо двух КТ809А поставить один
составной КТ827А, без резисторов R7, R8.
Всегда рассчитывайте мощность резисторов, иначе это может вам
выйти множеством сгоревших дорогих элементов.
В приведенной схеме стабилизатора имеется защита по первичной
обмотке трансформатора, а во вторичных цепях защита отсутствует
(см. рис. 1.77).
в
Совет.
В простейшем случае поставьте на выходе стабилизатора двух-,
трехамперный предохранитель, но лучше сделать более интел-
лектуальную схему защиты.
Выше указаны простейшие правила и условия, соблюдение которых
позволит проектировать и собирать действующие стабилизаторы.
1.18. Расчет радиатора для стабилизаторов
напряжения
Методика выбора радиатора
Для обеспечения высокой точности и стабильности напряжения
питания в современных электронных устройствах широкое распростра-
нение получили интегральные стабилизаторы напряжения (интеграль-
ные микросхемы — ИМС) серии хх78хх (отечественный аналог КР142)
которые производят многие зарубежные фирмы [145].
При мощности нагрузки более 1 Вт ИМС линейного стабилизатора
напряжения необходимо эксплуатировать с теплоотводом, к которому
они крепятся болтовым соединением.
Промышленность выпускает различные виды радиаторов: пластин-
чатые, ребристые, штыревые, игольчатые и др. Выбор теплоотвода сво-
дится к определению его конструкции и размеров, которые обеспечат
теплостойкость.
Охладитель в форме пластины, конечно, очень прост в изготовлении,
имеет сравнительно небольшую стоимость. Площадь его поверхности
равна сумме площадей двух сторон.
Для изготовления пластинчатых охладителей следует использовать
алюминиевые пластины толщиной 1,5—3 мм.
118 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Примечание.
Такие радиаторы целесообразно применять при небольших мощ-
ностях рассеивания, т. к. иначе радиатор получается очень габа-
ритным. Для повышения эффективности теплоотвода и умень-
шения габаритов целесообразно использовать ребристые и шты-
ревые охладители.
Ребристый радиатор обычно бывает цельнолитой, либо фрезеро-
ванный, а также может быть с одно- или двухсторонним оребрением.
Двухстороннее оребрение позволяет увеличить площадь поверхности.
Самым эффективным является штыревой (игольчатый) теплоотвод,
который не требует строгой пространственной ориентации в электрон-
ном устройстве.
При минимальном объеме такой радиатор имеет эффективную
максимальную площадь рассеивания. Площадь поверхности у такого
радиатора равна сумме площадей каждого штырька плюс площадь
основания. Материалом для радиаторов обычно служит алюминий и
его сплавы. Лучшей эффективностью отвода тепла обладают охлади-
тели, выполненные из меди, однако вес и стоимость у таких радиаторов
больше, чем у алюминиевых теплоотводов.
Пример расчета радиатора для ИМС LM7805 (КР142ЕН5В)
Расчет будем производить на примере ИМС LM7805 (аналог
КР142ЕН5В). Для расчета нужны следующие данные:
♦ максимальное напряжение питания, подаваемое на стабилиза-
тор Umax= 15 В;
♦ напряжение на выходе стабилизатора UBbK = 5 В;
♦ максимальный ток нагрузки 1Н = 1 А;
♦ допустимую температуру радиатора примем равной Т = 50 °С.
Максимальное падение напряжения U на стабилизаторе напряжения
определяется согласно формуле:
U-IU-U..-15-5-1OB.
Тогда мощность, рассеиваемая на стабилизаторе, составит:
Ppac = U-IH= 10-1 = 10 Вт.
Из справочных данных известно, что стабилизаторы серии
КР142 могут рассеивать мощность без теплоотвода до 1 Вт. В нашем слу-
чае это условие не выполняется, т. к. Ррас = 10 Вт, это значит, что нужно
проводить расчет далее.
Такой параметр, как тепловое сопротивление Q, в справочной лите-
ратуре приводиться крайне редко, а он показывает, на сколько граду-
сов нагревается радиоэлемент, если в нем выделяется мощность в 1 Вт.
Однако его можно определить двумя способами: или по формуле, или
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
119
исходя из типа корпуса ИМС. Т. к. ИМС серии КР142 выпускаются в кор-
пусе ТО-220, то из [151] следует, что тепловое сопротивление этой ИМС
будет 2-5 °С/Вт.
Можно рассчитать тепловое сопротивление Q, помня, что Т = 50 °С:
Q = T/Ppac = 50/10 = 5°C/BT.
Полученный результат совпадает с цифрами, приведенными в [151].
Площадь радиатора S определяется по фор-
муле:
S = (T/Q)2 = (50/5)2 = 100cm2.
Из приведенного расчета можно сделать
вывод, что на 1 Вт рассеиваемой мощности дан-
ной ИМС необходим радиатор площадью 10 см2.
Чтобы теплоотвод занял как можно меньше
места на плате проектируемого устройства,
целесообразно применить ребристый охлади-
тель, рис< 1.78.
Рис. 1.78. Внешний вид
ребристого радиатора
Определение площади ребристого радиатора
Определим площадь теплоотвода на примере ребристого радиатора,
но не на основании предельно допустимых параметров работы ИМС, а
на основании габаритных размеров теплоотвода. На рис. 1.78 показаны
размеры, необходимые для расчета. Из [151] воспользуемся формулами
для расчета площади радиатора:
S = [2-(Н - d) + Д]<п - 1)-L + L-(B + 2Н + 6-п), (1)
S = 2ЦВ + Н) + 2В-Н, (2)
где п — количество ребер радиатора.
Производить расчет ребристого радиатора можно по одной из этих
двух форму.
При расчете по формуле (2) задаемся условием, что в процессе
охлаждения участвует в основном наружная поверхность теплоот-
вода — так называемый теплообмен излучением, который зависит в
основном от коэффициента излучения (степени черноты) материала
радиатора.
При расчете по формуле (1) в процессе охлаждения участвует как
наружная, так и внутренняя поверхность (межреберное простран-
ство) — это, так называемый, конвекционный способ передачи тепла.
Однако не стоит забывать о том, что не все ребра охладителя могут
одинаково отводить выделяемое тепло, т. к. часть их поверхности,
может соприкасаться с другими деталями и узлами на плате. Этот факт
следует также учитывать при разработке электронного устройства с
применением стабилизатора напряжения.
120 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Следует помнить, что при монтаже стабилизатора напряжения
теплоотвод, установленный на нем, будет иметь электрическую связь
со средним выводом микросхемы серии хх78хх (КР142).
1.19. Характеристики электродвигателей
и простейшие расчеты
Основные параметры электродвигателей можно вычислить по при-
веденным ниже формулам [179,180].
Постоянная момента электродвигателя
Постоянная момента электродвигателя определяется как:
где М— момент электродвигателя, Н-м; Кт — постоянная момента,
(Н-м)/А; I — сила тока, А.
Вращающий момент электродвигателя
Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий
момент, момент силы) - векторная физическая величина, равная про-
изведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке при-
ложения силы, на вектор этой силы:
M = F-r,
где М — вращающий момент, Н-м; F — сила, Н; г — радиус-вектор, м.
Номинальный вращающий момент Мном, Н-м, определяют по фор-
муле:
м-зор--
где Рном — номинальная мощность двигателя, Вт;
пном — номинальная частота вращения, мин"1.
Начальный пусковой момент -
момент электродвигателя при пуске.
В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz^ozf,
ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force):
1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (H),
llb = 4,448222 N(H).
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 121
Момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz-in) или фунт-сила на
дюйм (lb-in)
1 oz-in = 0,007062 N-m (Н-м),
HMn = 0,112985 N-m (Н-м).
Постоянная ЭДС
Направление ЭДС определяется по правилу правой руки.
Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протека-
ющего в проводнике тока.
Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за
перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная
сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам
двигателя. Это и есть противоЭДС.
Направление противоЭДС противоположно приложенному к дви-
гателю напряжению. Значение противоЭДС пропорционально частоте
вращения и определяется из выражения:
е = КЕ • со,
где б — электродвижущая сила, В; КЕ — постоянная ЭДС, В-с/рад; со —
угловая частота, рад/с.
Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой Кт = КЕ,
если они определены в единой системе единиц.
Постоянная электродвигателя
Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока
является постоянная электродвигателя Км. Постоянная электродвига-
теля определяет способность электродвигателя преобразовывать элек-
трическую энергию в механическую:
к _Ь M
где Кэ — постоянная электродвигателя, (Н • м)/\/Вт; R — сопротивление
обмоток, Ом, Мм — максимальный момент, Н-м; Рм — мощность,
потребляемая при максимальном моменте, Вт.
Q
Примечание.
Постоянная электродвигателя вместе с размерами электродвига-
теля являются основными параметрами для инженера при выборе
электродвигателя с лучшим соотношением: мощность/объем.
Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток
при условии, что используется один и тот же материал проводника.
122 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными прово-
дами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом
постоянная электродвигателя останется неизменной.
Жесткость механической характеристики двигателя
Жесткость механической характеристики двигателя можно вычис-
лить по формуле:
H-fi-Ki-M,
R со
где р — жесткость механической характеристики электродвигателя
постоянного тока.
Частота вращения
Частота вращения вала электродвигателя п, об/мин, определяется как:
30 со
*-»
ти
Механическая характеристика
Механическая характеристика электродвигателя представляет собой
графически выраженную зависимость частоты вращения вала от элек-
тромагнитного момента при неизменном напряжении питания.
Момент инерции ротора
Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся
мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна
сумме произведений масс материальных точек на квадраты их рассто-
яний от оси, или, в интегральном виде:
где J — момент инерции, кг-м2; m — масса, кг.
Момент инерции связан с моментом силы соотношением:
M = J.e,
где s — угловое ускорение, с~2: е = dco/dt.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я 123
Механическая постоянная времени
Механическая постоянная времени — время, отсчитываемое с
момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за
которое частота вращения ненагруженного электродвигателя дости-
гает уровня в 63,21 %, или (1 - 1/е), где е = 2,718, от своего конечного
значения:
к р
где тм — механическая постоянная времени, с.
Электрическая постоянная времени
Электрическая постоянная времени — время, отсчитываемое с
момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за
которое ток достигает уровня в 63,21 %, или (1 - 1/е), где е = 2,718, от
своего конечного значения:
где те — постоянная времени, с
Напряжение электродвигателя
Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного
тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается паде-
ние напряжения в щеточно-коллекторном узле):
где U — напряжение, В.
Уравнение напряжения, выраженное через момент двигателя, будет
выглядеть следующим образом:
U = R—+ КЕ(о.
14 «т.
Примечание.
Соотношение между моментом и частотой вращения при двух
различных напряжениях питания двигателя постоянного тока
неизменно.
При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается.
Наклон этой функции KTKE/R постоянный и не зависит от значения
напряжения питания и частоты вращения двигателя.
124 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой
вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это харак-
терно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что
нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях.
Мощность электродвигателя постоянного тока
Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощ-
ность на валу электродвигателя
Механическая мощность — физическая величина, показывающая,
какую работу механизм совершает в единицу времени:
Р = dA/dt,
где Р — мощность, Вт; А — работа, Дж; t — время, с.
Работа — скалярная физическая величина, равная произведению
проекции силы на направление F и пути S, проходимого точкой при-
ложения силы.
dA = F-dS,,
где S — расстояние, м.
Для вращательного движения
dS = r-d0,
где 0 — угол, рад; со = d0/dt, где со — угловая частота, рад/с.
Таким образом можно вычислить значение механической мощности
на валу вращающегося электродвигателя:
Р = М-о).
Определение.
Номинальное значение — значение параметра электротехни-
ческого изделия (устройства), указанное изготовителем, при
котором оно должно работать, являющееся исходным для
отсчета отклонений.
Баланс мощностей для электродвигателей постоянного тока
Упрощенное соотношение мощностей для электродвигателя выгля-
дит как:
i=i
где I — сила тока, A; U — напряжение, В; М — момент электродвига-
теля, Н-м; R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом;
L — индуктивность, Гн; Рэл — электрическая мощность (подведен-
ная), Вт; Рмех — механическая мощность (полезная), Вт; Ртеп — тедло-
вые потери, Вт; Ринд — мощность, затрачиваемая на заряд катушки
индуктивности, Вт; Р^ — потери на трение, Вт.
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
125
Потери в электродвигателе
Потери в электродвигателе подразделяются на:
♦ электрические — в виде тепла в результате нагрева проводни-
ков с током;
♦ магнитные — потери на перемагничивание сердечника: потери
на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
♦ механические — потери на трение в подшипниках, на вентиля-
цию, на щетках (при их наличии);
♦ дополнительные — потери, вызванные высшими гармониками
магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения ста-
тора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей
силы обмоток.
КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99 % в зависи-
мости от его типа и конструкции.
Международная электротехническая комиссия (International
Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности
электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено
четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электро-
двигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4, рис. 1.79.
97
95
93
91
89
87
85
83
11 КПД, %
81
4У^
777
МГТ
Р.кВт
0,75 1,5 3 5,5 11 18,5 30 45 75 110 160 250 355
Рис. 1.79. Классы эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей
по стандарту IEC 60034-31:2010
Коэффициент полезного действия электродвигателя
КПД электродвигателя — характеристика эффективности машины в
отношении преобразования электрической энергии в механическую:
где г| — КПД электродвигателя; Р! — подведенная мощность (электриче-
ская), Вт; Р2 — полезная мощность (механическая), Вт.
126
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
1.20. Указатель журнальных статей
по расчетам элементов силовой электроники
В этом разделе вы найдете замечательную подборку статей по рас-
четам по силовой электронике из наиболее популярных технических
журналов нашей страны, эта подборка особенно актуальна для студен-
тов и инженеров технического профиля (табл. 1.20).
Статьи по расчетом по силовой электронике в технических журналах
Название статьи в журнале
Автор(ы)
Год
Таблица 1.20
Номер
Стр.
Журнал РАДИО
Импульсный блок питания для УМЗЧ
Инверторный источник сварочного тока. Опыт
ремонта и расчет электромагнитных элементов
Инверторный источник сварочного тока. Опыт
ремонта и расчет электромагнитных элементов
Инверторный источник сварочного тока. Опыт
ремонта и расчет электромагнитных элементов
Методика и программа расчета импульсного
трансформатора двухтактного преобразователя
Определение термостабильной точки стабилитронов
Программа расчета блока питания.
Программа расчета мостового выпрямителя
Программа расчета сетевых трансформаторов
Радиотехнические расчеты - 9
Радиотехнические расчеты в Excel
Расчет вентилируемого ребристого теплоотвода
Расчет выпрямителя источника питания
Расчет импульсного трансформатора двухтактного
преобразователя
Расчет индуктивностей на кольцевых
магнитопроводах
Расчет магнитной проницаемости магнитопровода
Расчет параметрического стабилизатора
напряжения
Расчет понижающего трансформатора на
компьютере
Расчет сглаживающего фильтра выпрямителя
Расчет сетевого источника питания с гасящим
конденсатором
Расчет сетевого трансформатора источника питания
Расчет сетевого трансформатора источника питания
Расчет стабилизатора для вибрационного насоса
Косенко С.
Володин В.
Володин В.
Володин В.
Москатов Е. .
Иноземцев В.
Герасименко Ф.
Антонова.
Никифиров И.
Михайлов М.
Поляков В.
Кочнев А.
Сорокин А.
Першин В.
Косенко С.
Малинин Р.
Илитич Ю.
Будов А.
Михеева Ж.
Першин В.
Бирюков С.
Першин В.
Першин В.
Порохнявый Б.
2005
2003
2003
2003
2006
1983
2007
2006
2001
2003
2007
2005
2004
2005
1980
2011
1983
2001
2005
1997
2004
2004
2004
2
8
9
10
6
8
1
12
12
5
12
4
10
4
7
4
8
9
4
5
4
5
1
46
36
32
29
35
30
59
58
42
51
35
25
54
35
45
30
30
51
56
48
54
55
42
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
127
Таблица 1.20 (продолжение)
Название статьи в журнале
Расчет стабилизатора для вибрационного насоса
Расчет стабилизатора напряжения с логическим
элементом
Расчет теплоотводов на компьютере
Расчет теплоотводов на компьютере
Расчет трансформатора импульсного блока питания
Самодельный блок питания? Нет ничего проще
Сварочный трансформатор: расчет и изготовление
Сварочный трансформатор: расчет и изготовление
Упрощенный расчет сетевого трансформатора
Упрощенный расчет трансформаторов питания.
Автор(ы)
Порохнявый Б.
Редактор
Редактор
Сафаров Р.
Редактор
Николаев Ю.
Володин В.
Володин В.
Никифиров И.
Малинин Р.
Год
2004
1983
1988
1991
1987
1992
2002
2002
2000
1980
Номер
7
12
2
7
11
4
11
12
10
11
Стр.
48
36
60
75
43
53
35
38
39
62
Журнал РАДИОЛЮБИТЕЛЬ
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
(упрощенный расчет)
Новый метод расчета трансформаторов
Ориентировочный расчет «емкостного»
выпрямителя
Причины возникновения и расчет потерь в
магнитопроводах моточных компонентов
Программа для расчета тороидальных
трансформаторов
Программа расчета трансформаторов с Ш-образным
магнитопроводом
Расчет автотрансформатора
Расчет автотрансформатора
Расчет бестрансформаторного выпрямителя с
гасящим конденсатором
Расчет диаметра провода для плавких вставок
предохранителей
Расчет импульсного трансформатора двухтактного
преобразователя с учетом потерь на поверхностные
эффекты
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Филипович А.
Ивашин Н.
Москатов Е.
Голуб С.
Петуховский П.
Годин А.
Маньковский А.
Шустов М.
Жирло Н.
Москатов Е.
1995
1995
1996
1996
1996
1996
1996
1996
2001
2007
2009
1991
1991
2007
2013
1995
1999
2009
11
12
2
3
4
5
6
7
11
10
9
10
10
8
3
1
12
10
10
10
13
13
13
11
13
13
33
26
30
14
13
18
35
12
37
28
128
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Таблица 1.20 (продолжение)
Название статьи в журнале
Расчет импульсного трансформатора двухтактного
преобразователя с учетом потерь на поверхноаные
эффекты
Расчет источников питания радиолюбительских
передатчиков
Расчет основных параметров силовых реактивных
элементов резонансного и квазирезонансного
преобразователя напряжения с помощью ряда
Лагранжа
Расчет силового трансформатора
Расчет силовых трансформаторов
Расчет силовых трансформаторов на ПК
Расчет тока заряда аккумулятора
Расчет трансформатора импульсного блока питания
Расчет трансформаторов тока
Расчет трансформаторов тока
Способы уменьшения и расчет потерь от
выпучиваний магнитных потоков из зазоров в
магнитопроводах моточных компонентов
Упрощенный расчет бестрансформаторного блока
питания
Упрощенный расчет бестрансформаторного блока
питания
Автор(ы)
Мое катов Е.
Кулешов О.
Смирнов Д.
Пелипань В.
Степанов Ю.
Беседин В.
Сизов Ю.
Шустов М.
Хрипченко В.
Хрипченко В.
Москатов Е.
Банников В.
Банников В.
Год
2009
1996
2013
1993
1994
1994
2013
1996
2007
2007
2009
1998
1998
Номер
11
1
9
11
7
4
6
10
5
6
8
1
2
Стр.
24
6
36
14
32
18
28
6
61
52
36
14
16
Журнал РАДИОКОНСТРУКТОР
Упрощенный расчет мостового выпрямителя
Упрощенный расчет стабилизатора напряжения
Редактор
Редактор
2013
2013
8
9
43
38
Журнал РАДИОМИР
«Жучки» по формулам
Программа для расчета тока плавления
предохранителя
Простой "расчет" радиатора
Расчет дросселей фильтров
Расчет параметрических стабилизаторов
Снова о балластном конденсаторе
Тепловой расчет радиаторов
Тепловой расчет радиаторов
Тепловой расчет радиаторов
Тепловой расчет радиаторов
Умножаем напряжение
Колдунов А.
Ширяев А.
Piret E.
Петров А.
Москатов Е.
Семенов И.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Петров А.
Красуцкий М.
2002
2007
2011
2004
2006
2006
2002
2002
2002
2002
2009
7
3
8
1
7
7
3
4
5
6
2
15
39
16
27
22
12
14
10
12
11
11
Журнал РАДИОМИР. KB и УКВ
Расчет блоков питания ламповых усилителей
мощности
Расчет блоков питания ламповых усилителей
мощности
Кузьменко А.
Кузьменко А.
2001
2001
11
12
24
21
Глава 1. Силовая электроника: расчеты от А до Я
129
Таблица 1.20 (продолжение)
Название статьи в журнале
Расчет блоков питания ламповых усилителей
мощности
Расчет блоков питания ламповых усилителей
мощности
Автор(ы)
Кузьменко А.
Кузьменко А.
Год
2002
2002
Номер
1
4
Стр.
22
25
Журнал СХЕМОТЕХНИКА
Расчет блоков питания ламповых усилителей
мощности
Расчет и моделирование повещающее-
понижающего преобразователя напряжения
Расчет и моделирование повышающее-
понижающего преобразователя напряжения
Расчет и моделирование повышающее-
понижающего преобразователя напряжения
Расчет и моделирование повышающее-
понижающего преобразователя напряжения
Расчет и моделирование повышающее-
понижающего преобразователя напряжения
Расчет трансформатора однотактного
обратноходового источника питания
Расчет трансформатора однотактного
обратноходового источника питания
Расчет трансформатора однотактного
обратноходового источника питания
Расчет электромагнитных компонентов в Transformer
Designer Oread V10.5
Расчет электромагнитных компонентов в Transformer
Designer Oread V10.5
Расчет электромагнитных компонентов в Transformer
Disigner Oread V10.5
Кузьменко А.
Морозов В.
Морозов В.
Морозов В.
Морозов В.
Морозов В.
Карпенко А.
Карпенко А.
Карпенко А.
Петраков О.
Петраков О.
Петраков О.
2002
2007
2007
2007
2007
2007
2005
2005
2005
2007
2007
2007
4
6
4
5
7
8
1
2
3
8
9
7
25
8
6
2
9
11
35
18
9
36
15
23
Журнал РАДИОХОББИ
Инженерный («реальный») расчет мощности БП
УМЗЧ программой PowerSup.exe
Онлайн калькулятор The Alutronic RthK Calculator
для тепловых расчетов РЭА
Программа расчета блоков питания ламповых
усилителей PSU Designer 2.0.1
Расчет силовых трансформаторов
Трансформаторы силовые и звуковые. Расчет и
изготовление в домашней лаборатории
Редактор
Редактор
Редактор
Редактор
Редактор
2006
2010
2003
2000
2000
6
2
4
3
3
9
4
11
59
58
Журнал РАДИОАМАТОР
Расчет радиаторов полупроводниковых приборов
Редактор
2001
6
36
Журнал ЭЛЕКТРИК
О расчете емкости гасящего конденсатора для
паяльника
О расчете сопротивления гасящего резиаора в цепи
активной нагрузки
Кол омой цев К.
Коломойцев К.
2002
2010
9
10
12
74
130
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Таблица 1.20 (продолжение)
Название статьи в журнале
Расчет источника питания с однотактным
импульсным преобразователем
Расчет маломощного однофазного трансформатора
на частоте 50 Гц
Расчет маломощных трансформаторов питания
Расчет параметров цепей в распределителе тока
нагрузки для мощных ключей
Расчет радиатора для стабилизаторов напряжения
Расчет силовых трансформаторов на тороидальном
сердечнике с помощью таблицы
Таблица расчета трансформаторов
Автор(ы)
Воллернер Н.
Ра шитов О.
Саулов А.
Ефименко В.
Студенев А.
Рашитов О.
Кравченко А
Год
2003
2002
2004
2005
2012
2003
2000
Номер
12
10
6
1
10
10
9
Стр.
2
23
21
14
48
21
11
Журнал РАДИОКОМПОНЕНТЫ
SEMISEL - программа теплового расчета силовых
каскадов
SEMISEL- программа теплового расчета силовых
каскадов
Колпаков А.
Полищук С.
Мысак Т.
Колпаков А.
Полищук С.
Мысак Т.
2008
2008
1
2
18
30
ГЛАВА 2
СХЕМОТЕХНИКА СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ
ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
2.1. Принцип действия
трансформаторных источников питания
Трансформатор осуществляет преобразование напряжения пере-
менного тока и/или гальваническую развязку в схеме источника
питания.
Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотранс-
форматор) или нескольких изолированных проволочных либо ленточ-
ных обмоток (катушек). Они охватываются общим магнитным потоком.
Обмотки намотаны на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного
магнито-мягкого материала. Работа трансформатора основана на двух
базовых принципах.
Принцип первый. Изменяющийся во времени электрический ток
создает изменяющееся во времени магнитное поле (электромагне-
тизм).
Принцип второй. Изменение магнитного потока, проходящего
через обмотку, создает ЭДС в этой обмотке (электромагнитная
индукция).
На одну из обмоток трансформатора источника питания, называе-
мую первичной обмоткой, подается напряжение от сети переменного
тока 220 В 50 Гц. Протекающий по первичной обмотке переменный ток
создает переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате
электромагнитной индукции переменный магнитный поток в магни-
топроводе создает во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС
индукции.
Выходное напряжение, как и входное, имеет синусоидальную форму,
отличается лишь амплитудой этой синусоиды.
Принципиальная схема двухобмоточного понижающего трансфор-
матора приведена на рис. 2.1, а. Форма выходного напряжения пред-
ставлена на рис. 2.1, б.
132
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Вход:
высокое переменное
напряжение
Выход:
низкое переменное
напряжение
Трансформатор
Для получения на выходе пуль-
сирующего постоянного тока
в цепь вторичной обмотки вво-
дится выпрямительный диод
(вентиль). Получается простей-
шая схема однополупериодного
выпрямителя.
На частотах сети 50—60 Гц
такой выпрямитель не имеет
широкого применения, так как
для питания аппаратуры требу-
ются сглаживающие фильтры с
большими величинами емкости
и индуктивности. А это приводит
к уэеличению габаритно-весовых
характеристик выпрямителя.
Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широ-
кое распространение в импульсных источниках питания с частотой
переменного напряжения свыше 10 кГц, широко применяющихся в совре-
менной бытовой и промышленной аппаратуре. Ведь при более высоких
частотах пульсаций выпрямленного напряжения для получения требу-
емых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пуль-
саций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями
емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьша-
ются с повышением частоты входного переменного напряжения.
Схема однополупериодного выпрямителя (или четвертьмоста)
приведена на рис. 2.2, а. Форма выходного напряжения представлена
на рис. 2.2, б.
время
Выход: низкое переменное
напряжение
б
Рис. 2.1. Понижающий трансформатор:
а - принципиальная схема;
б - временная характеристика
Сетевое
напряжение •
-W-
Диод
-0 +
Выход
-0-
Напряжение или ток
+
Трансформатор
л л
Выход: выпрямленное
напряжение
время
Рис. 2.2. Однополупериодный выпрямитель:
а - принципиальная схема; б - временная характеристика
Двухполупериодный выпрямитель может строиться по мостовой
(рис. 2.3, а) или полумостовой схеме (рис. 2.4, а).
В этом случае (рис. 2.4, а) при выпрямлении однофазного тока
используется специальный трансформатор с выводом от средней
точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляю-
щих ток элементов. Такая схема в настоящее время применяется редко,
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
133
Выпрямитель
Сетевое
напряжение
Напряжение
■0 +
Трансформатор
Выход
-0-
Выход: выпрямленное
напряжение
б
время
Рис. 2.3. Двухполупериодный нестабилизированный трансформаторный
источник питания, построенный по мостовой схеме:
а - принципиальная схема; б - временная характеристика
Напряжение
Сетевое
напряжение
rYYYY\
Выход: выпрямленное
напряжение
б
время
Рис. 2.4. Двухполупериодный нестабилизированный трансформаторный
источник питания, построенный по полумостовой схеме:
а - принципиальная схема; б - временная характеристика
так как более металлоемка и имеет большее эквивалентное активное
внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток
трансформатора.
Бестрансформаторный нестабилизированный источник пита-
ния (рис. 2.5) может применяться, когда необходим источник посто-
янного стабилизированного напряжения для электронных устройств с
небольшим током потребления (до 150 мА). В этом случае резонно при-
менять недорогие (по себестоимости дискретных элементов) бестранс-
форматорные источники питания.
Выход:
выпрямленное
напряжение
Напряжение или ток
время
Выход: выпрямленное
напряжение
а б
Рис. 2.5. Бестрансформаторный нестабилизированный источник питания:
а - принципиальная схема; б - блок-схема
Такие источники питания находят практическое применение в
малогабаритных бытовых включателях освещения на основе датчиков
движения, датчиках охранной сигнализации и других промышленных
конструкциях.
134
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
в
Внимание.
При эксплуатации устройства нельзя прикасаться к неизолиро-
ванным частям и элементам не только бестрансформаторного
источника, но и подключаемого к нему устройства.
Примечание.
Пульсирующее выходное напряжение является подходящим для
ламп, нагревателей и стандартных двигателей. Оно не является
подходящим для электронных схем, если они не включают сглажи-
вающий конденсатор.
Выпрямитель
Сетевое
напряжение
■0 +
=Ь= Выход
Трансформатор
Фильтр
•0-
Напряжение
или ток
Конденсатор
заряд разряд
Рттутт
время
Выход: отфильтрованное
напряжение
б
Рис. 2.6. Нестабилизированный
двухполупериодный источник
питания со сглаживающим
емкостным фильтром:
а - принципиальная схема;
б - временная характеристика
Для сглаживания пульсаций в схему
источника питания вводят конденсатор
(рис. 2.6). При построении двухполупери-
одного выпрямителя со сглаживающим
конденсатором следует всегда помнить:
♦ что переменное напряжение всег-
да измеряется в «действующем»
значении* которое в 1,41 раза
меньше его максимальной ампли-
туды;
♦ что выпрямленное напряжение на
конденсаторе, в отсутствие нагруз-
ки, будет всегда равно амплитуд-
ному значению.
Под нагрузкой выпрямленное напря-
жение будет ниже и зависеть от емко-
сти сглаживающего конденсатора. Но не
ниже величины действующего напря-
жения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансфор-
матора — источника переменного тока — принять равным нулю.
Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторич-
ной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной
допустимой величины подаваемого напряжения, а емкость сглаживаю-
щего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряже-
ние под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого.
Примечание.
На практике также учитывается неизбежное падение напряже-
ния под нагрузкой - на сопротивлении проводов, обмотке транс-
форматора, диодах выпрямительного моста, а также возможное
отклонение от номинального значения величины питающего
трансформатор напряжения электрической сети.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
135
Сглаженное конденсатором постоянное напряжение имеет неболь-
шие пульсации. Оно является подходящим для питания многих элек-
тронных схем.
Теперь рассмотрим стабилизированный трансформаторный
источник питания (рис. 2.7).
В блок-схеме стабилизированного трансформаторного источника
(рис. 2.7, б) выделены следующие элементы:
♦ трансформатор— понижает высокое напряжение сети пере-
менного тока (АС) к низкому напряжению АС;
♦ выпрямитель — преобразовывает переменное напряжение в вы-
прямленное, но выходное напряжение является пульсирующим;
♦ фильтр — сглаживает пульсации, снижая их амплитуду;
♦ стабилизатор — устраняет пульсации, превращает выходное на-
пряжение в постоянное стабилизированное заданной величины.
Простейший стабилизатор строится на стабилитроне (например,
рис. 2.8). В большинстве случаев стабилизатор стоится на специальной
микросхеме. Они созданы на различные величины стабилизированного
напряжения.
Теперь рассмотрим практические конструкции трансформаторных
источников питания, которые могут быть созданы самостоятельно
радиолюбителем.
Выпрямитель Стабилизатор
Сетевое
напряжение
Выход
Напряжение
+ i
Трансформатор k-ы Выпрямитель им Фильтр I-J Стабилизатор
время
Выход: стабилизированное
напряжение
Стабилизи-
рованное
постоянное
напряжение
Рис. 2.7. Стабилизированный трансформаторный источник питания
а - принципиальная схема; б - блок-схема; в - временная характеристика
+1)ПИТ 0-
Входное
напряжение
Л Резистор,
ограничивающий
•^ток
•0+Uct
ОВ0-
Стабилитрон
2 £ Стабилизированное
входное напряжение
-00В
Рис. 2.8. Принципиальная схема параметрического стабилизатора
136 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
2.2. Лучшие конструкции трансформаторных
источников питания
Стабилизированный источник питания +3,4...6 В /3...5 В100 мА
(DC-DC Step-Down +ЗД..6 /3...5 V)
Назначение. Питание различной низковольтной электронной аппа-
ратуры (плееров, переносных приемников, устройств на микрокон-
троллерах) током до 100 мА.
Особенности. Схемотехника стабилизаторов напряжения для пита-
ния устройств с низковольтным питанием имеет особенности. Например,
наиболее эффективна простейшая защита стабилизаторов ограничением
максимального тока нагрузки при низком выходном напряжении.
Падение напряжения на регулирующем транзисторе стабилизатора
при замыкании на выходе мало отличается от рабочего, и транзистор
перегревается незначительно. Весьма актуально именно для низко-
вольтных стабилизаторов уменьшение минимального напряжения
между входом и выходом, поскольку при этом повышается не только
экономичность аппаратуры, но и ее надежность.
Пример.
Если применить в трехвольтном стабилизаторе микросхему с
падением напряжения на ней также три вольта, то питающий
это устройство выпрямитель должен отдавать напряжение
с учетом пульсаций около 9 В. Если это напряжение, вследствие
пробоя микросхемы, попадет на нагрузку, весьма вероятно, что
она выйдет из строя.
Для стабилизатора же, падение напряжения на котором менее 0,4 В,
хватит входного напряжения около 5 В. Такое перенапряжение нагрузка,
рассчитанная на трехвольтное питание, скорее всего выдержит.
Разработать сравнительно простые низковольтные стабилизаторы с
учетом всего вышеизложенного позволяет микросхема КР142ЕН19 —
интегральный аналог низковольтного стабилитрона.
Эта микросхема выпускается в пластмассовом корпусе с тремя выво-
дами. Когда напряжение на ее управляющем электроде относительно
анода меньше +2,5 В, ток катода микросхемы не превышает 1,2 мА, при-
чем он мало зависит от напряжения между анодом и катодом микро-
схемы. Как только напряжение на управляющем электроде превысит
порог +2,5 В, ток катода микросхемы резко возрастает, пока напряже-
ние на катоде не снизится до' 2,5 В. Резистор, подключенный к катоду,
должен ограничивать этот ток значением не более 100 мА.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
137
Ток управляющего электрода весьма мал — единицы микроампер,
причем этот ток также следует ограничивать, поскольку при его слишком
большом увеличении напряжение на катоде микросхемы может возрасти.
в
Примечание.
Микросхема представляет собой аналог стабилитрона, поэтому и
в схемах она включается аналогично, в обратной полярности. При
этом напряжение на катоде всегда положительнее, чем на аноде.
Схема. Принципиальная схема низковольтного стабилизатора
напряжения на микросхеме КР142ЕН19 с регулирующим транзистором
в плюсовом проводнике показана на рис. 2.9. Падение напряжения на
этом стабилизаторе не превышает 0,4 В, а коэффициент стабилиза-
ции — более 600.
VT1 КТ351А
Рис. 2.9. Принципиальная схема низковольтного стабилизатора напряжения
на микросхеме КР142ЕН19 с регулирующим транзистором в плюсовом проводнике
При повышении напряжения на движке регулятора выходного
напряжения (резистор R7) до 2,5 В микросхема DA1 открывается. Это
вызывает открывание транзистора VT1, закрывание транзистора VT2, а
затем и регулирующего транзистора VT3.
Регулятором напряжения R7 можно установить выходное напряже-
ние меньше указанных на схеме 3 В примерно до 2,6 В, однако в про-
цессе включения стабилизатора, особенно без нагрузки, возможно кра-
тковременное повышение выходного напряжения до 3 В.
Этот стабилизатор можно отрегулировать и на напряжение больше
5 В, но тогда он будет сильно перегреваться при замыкании в нагрузке,
поскольку защищен лишь ограничением выходного тока, зависящего
от сопротивления резистора R2. Максимальный рабочий ток увеличи-
вается при уменьшении его номинала.
138
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Совет.
Если требуется существенно увеличить выходной, ток стабилиза-
тора, можно попробовать уменьшить номиналы резисторов R1 и R2
в одинаковое число раз и применить более мощные транзисторы.
Аналоги. На месте VT1 допустимо использовать транзистор серии
КТ626, a VT2 - КТ630. Транзистор КТ814А (VT3) заменим любым из серий
КТ816, КТ837 с максимальным коэффициентом передачи тока базы.
Налаживание. В стабилизаторе не следует применять эмиттерные
повторители для повышения выходного тока. Это увеличивает время
прохождения сигнала по цепи обратной связи и может привести к воз-
никновению возбуждения. Если все же самовозбуждение возникло,
следует увеличить емкость конденсаторов С1 и С2, а также подключить
конденсатор емкостью в несколько сотен пикофарад между катодом и
управляющим электродом микросхемы.
Подробное описание схемы приводится в [58].
Стабилизированный источник питания с регулирующим
транзистором в минусовом проводнике +3,4...6 В /3...5 В100 мА
(DC-DC Step-Down+З Д..6 /3...5 V)
Назначение. Питание различной низковольтной электронной
аппаратуры (плееров, переносных приемников, устройств на микро-
контроллерах) током до 100 мА.
Особенности. В данной схеме применены несколько необычные
делители выходного напряжения в отличие от традиционного, когда
переменный резистор включен в верхнее по схеме плечо. В этом слу-
чае, если нарушается контакт в цепи движка переменного резистора,
напряжение на выходе стабилизаторов может только уменьшаться,
тогда как при использовании традиционного делителя выходное
напряжение достигает максимального уровня, что может вывести из
строя нагрузку. В обоих описанных выше стабилизаторах для умень-
шения зависимости максимального рабочего тока от температуры
m
со
ю
со +
со
ю
см
со
КТ815А
Рис. 2.10. Схема низковольтного стабилизатора напряжения
с регулирующим транзистором в минусовом проводнике
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
139
полезно обеспечить тепловой контакт диодов VD1, VD2 с теплоотводом
регулирующего транзистора.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора с регулирующим тран-
зистором в минусовом проводнике показана на рис. 2.10. При повы-
шении напряжения на управляющем электроде до +2,5 В относительно
анода микросхема открывается и закрывает транзисторы VT1 и VT2.
Максимальный рабочий ток устанавливают подбором резистора R2.
Налаживание. Если такие стабилизаторы используются как регули-
руемые, полезно последовательно с переменными резисторами вклю-
чить постоянные (к каждому крайнему выводу). Их сопротивления
следует подобрать так, чтобы пределы регулировки выходного напря-
жения соответствовали указанным на схемах. При отсутствии таких
резисторов стабилизаторы могут выходить из режима стабилизации в
крайних положениях движков.
Подробное описание схемы приводится в [58].
Стабилизированный источник питания
-220 В /3; 4; 5; 6; 7,5; 9; 12 В 250 мА
(AC-DC Step-Down -220/3; 4; 5; 6; 7,5; 9; 12 V)
Назначение. Стабилизированный источник с шесть значений
выходного напряжения (3; 4; 5; 6; 7,5; 9; 12 В) предназначен для пита-
ния аппаратуры током нагрузки до 250 мА. Этот источник питания
обладает достаточно широким диапазоном и стабильностью выход-
ного напряжения.
Характеристики. Номинальное выходное напряжение (с допуска-
емым отклонением ±5 %) — 3; 4; 5; 6; 7,5; 9; 12 В, максимальный ток
нагрузки, — 0,25 А, амплитуда пульсации — 10 мВ, внешние размеры —
77x57x50 мм. Х2
SA1.1
VD1...VD4
КД209А
КР142ЕН12А
Рис. 2.11. Принципиальная схема стабилизированного источника питания
на шесть значений выходного напряжения и с током нагрузки до 250 мА
140
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Схема. Принципиальная схема источника питания приведена на
рис. 2.11. Переменное напряжение с секционированной обмотки сете-
вого трансформатора Т1 через контакты переключателя SA1.1 (в зави-
симости от выбранного предела) поступает на диодный мост VD1—VD4
и выпрямляется им. Выпрямленное и сглаженное конденсатором С2
напряжение поступает далее на вход 2 микросхемы DA1, представля-
ющей собой интегральный стабилизатор с регулируемым выгодным
напряжением. С ее вывода 8 стабилизированное напряжение подается
на выходной разъем Х2.
Резисторы Rl— R7 образуют делитель напряжения. Резисторы R2—
R7 коммутируются переключателем SA1.2 одновременно с отводами
секций обмотки II сетевого трансформатора. Конденсатор СЗ необхо-
дим для снижения уровня шума и увеличения коэффициента сглажи-
вания пульсаций.
Конденсатор С1 выполняет роль сетевого фильтра, конденсатор
С4 — выходного фильтра блока питания.
Печатная плата. Печатная плата источника питания показана на
рис. 2.12. Резисторы R2—R7 и переключатель SA1 смонтированы на
нижней стороне печатной платы, остальные детали — на верхней.
Трансформатор Т1 установлен на плате выводами обмоток вниз и при-
клеен к плате клеем БФ-4. Выводы первичной обмотки трансформа-
тора припаяны непосредственно к штырям сетевой вилки (XI). К ним
же припаян и конденсатор С1.
50
70
Рис. 2.12. Печатная плата источника питания
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
141
Рис. 2.13. Схема замены
интегрального стабилизатора
Элементная база. Магнитопровод
трансформатора собран из пластин
Ш 10х20. Первичная обмотка (I) транс-
форматора содержит 3600 витков про-
вода ПЭВ-2-0,1, а вторичная (II) - 368
витков ПЭВ-2-0,35 с отводами от 166,
200, 234, 268, 302-го витков. Все рези-
сторы, используемые в блоке питания, —
МЛТ-0,125.
Конденсатор Cl — K73-17 на номиналь-
ное напряжение 630 В, С2 и СЗ — оксид-
ные К50-35, С4 — КМ-5. Переключатель
SA1 — движковый типа ПД-41. Установка
его на плате со стороны сетевой вилки
исключает случайное переключение
выходного напряжения при работающем
блоке с подключенной нагрузкой.
Микросхема КР142ЕН12А может быть заменена на КР142ЕН12Б.
Теплоотвод, на котором микросхема укреплена винтом с гайкой, изго-
товлен из листового алюминия толщиной 2,5 мм.
При отсутствии интегрального стабилизатора аналогичный источ-
ник питания можно собрать по схеме, приведенной на рис. 2.13.
Здесь в качестве регулирующего элемента применен транзистор
КТ829, и нет необходимости переключать обмотки трансформатора.
Налаживание. Налаживание источника питания заключается в
тщательном подборе резисторов R2—R7 делителя выходного напря-
жения. Работа эта весьма кропотливая и, естественно, требует особого
внимания и усидчивости. Чем более тщательно будет подобран каж-
дый из резисторов делителя, тем точнее окажется соответствующее
ему напряжение на выходе блока питания.
Подробное описание схем приводится в [131].
Стабилизированный источник питания на ИМС142ЕН1Г
+9 В /5 В 500 мА (DC-DC Step-Down +9/5 V)
Назначение. Питание устройств на цифровых ИМС 155 серии током
до 500 мА.
Особенности. Этот стабилизатор был разработан для питания
устройств на цифровых ИМС 155 серии. Благодаря использованию
в нем специализированной микросхемы серии К142, стабилизатор
имеет малое количество деталей и пригоден для монтажа непосред-
ственно на плате цифрового устройства.
142
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
VT1
КТ903Б
Рис. 2.14. Схема стабилизатора
напряжения на ИМС142ЕН1Г
Характеристики. Входное
напряжение — 9 В, выход-
ное напряжение — 5 В, ток
нагрузки — 0,5 А.
Схема. Принципиальная
схема стабилизатора приве-
дена на рис. 2.14.
Описание схемы приво-
дится по [129].
Стабилизированный источник питания 14...20 В /12 В 500 мА
(DC-DC Step-Down -220/12 V)
Назначение. Стабилизированный источник с напряжением на выходе
12 В предназначен для питания аппаратуры током нагрузки до 500 мА.
Характеристики. Входное напряжение — 14—20 В, выходное напря-
жение — 12 В, ток нагрузки — 0—0,5 А, Изменение выходного напря-
жения (ток нагрузки до 0,5 А) — не более 0,1 В; ток покоя — 15 мА; ток
короткого замыкания — не более 0,1 мА.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора приведена на рис. 2.15.
Источником образцового напряжения служит термостабилизированный
стабилитрон VD1. Для исключения влияния входного напряжения стаби-
лизатора на режим стабилитрона его ток задается генератором стабиль-
ного тока, построенным на полевом транзисторе VT1.
Термостабилизация и стабилизация тока стабилитрона повышают
коэффициент стабилизации выходного напряжения. Образцовое
напряжение поступает на левый (по схеме) вход дифференциального
Рис. 2.15. Принципиальная схема стабилизированного источника питания с защитой
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 143
усилителя на транзисторах VT2.2 и VT2.3 микросборки К125НТ1 и
резисторе R7, где сравнивается с напряжением обратной связи, снима-
емым с делителя выходного напряжения R8, R9. Разность напряжений
на входах дифференциального усилителя изменяет баланс коллектор-
ных токов его транзисторов.
Регулирующий транзистор VT4, управляемый коллекторным током
транзистора VT2.2, обладает большим коэффициентом передачи тока
базы. Это увеличивает глубину ООС и повышает коэффициент стаби-
лизации устройства, а также уменьшает мощность, рассеиваемую тран-
зисторами дифференциального усилителя.
В установившемся режиме при увеличении тока нагрузки выход-
ное напряжение несколько уменьшится, что вызовет и уменьшение
напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2.3. При этом ток
коллектора также уменьшится. Это приведет к увеличению тока тран-
зистора VT2.2, поскольку сумма выходных токов транзисторов диф-
ференциального усилителя равна току, текущему через резистор R7, и
практически не зависит от режима работы его транзисторов. В свою
очередь, растущий ток транзистора VT2.2 вызывает увеличение тока
коллектора регулирующего транзистора VT4, пропорциональное его
коэффициенту передачи тока базы, повышая выходное напряжение до
первоначального уровня, и позволяет поддерживать его неизменным
независимо от тока нагрузки.
Для кратковременной защиты устройства с возвратом его в исходное
состояние введен ограничитель трка коллектора регулирующего транзи-
стора, выполненный на транзисторе VT3 и резисторах Rl, R2. Резистор R1
выполняет функцию датчика тока, протекающего через регулирующий
транзистор VT4. В случае превышения тока этого транзистора максималь-
ного значения (около 0,5 А) падение напряжения на резисторе R1 достиг-
нет 0,6 В, т. е. порогового напряжения открывания транзистора VT3.
Открываясь, он шунтирует эмиттерный переход регулирующего
транзистора, тем самым ограничивая его ток примерно до 0,5 А. Это
вызывает падение выходного напряжения без срабатывания защиты
от перегрузки по току через некоторое время, пропорциональное
постоянной времени цепи R5, С1.
Это приводит к открыванию транзистора VT2.1 и дальнейшему
открыванию транзистора VT3, закрывающего транзистор VT4. Такое
состояние транзисторов устойчивое, поэтому после устранения корот-
кого замыкания или обесточивания нагрузки необходимо отключить
устройство от сети и вновь включить после разрядки конденсатора С1.
Примечание.
Ток короткого замыкания устройства равен нулю, а значит исключает
перегрев регулирующего транзистора при срабатывании защиты.
а
144 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Резистор R3 необходим для надежной работы транзистора VT4 при
малых токах и повышенной температуре. Конденсатор С2, шунтирую-
щий выход стабилизатора, предотвращает самовозбуждение устрой-
ства, причиной которого может стать глубокая ООС по напряжению.
Резистор R6 в коллекторной цепи транзистора VT2.1 ограничивает ток
во время переходных процессов при включении защиты, а светодиод
HL1 выполняет функцию индикатора перегрузки.
Монтаж. Стабилизатор некритичен к разводке печатной платы и
размещению деталей на ней. Поэтому монтаж его зависит, главным
образом, от опыта самого конструктора и габаритов предварительно
подобранных деталей.
Особенности. Статический коэффициент передачи тока базы
транзистора VT3 должен быть не менее 20, а транзистора VT4 — не
менее 400. На регулирующем транзисторе VT4, допустимый ток кол-
лектора которого должен быть не менее 1 А, выделяется значительная
мощность, поэтому его следует установить на теплоотвод мощностью
около 5 Вт.
Аналоги. Резисторы и конденсаторы — любых типов на номиналы,
указанные на схеме.
Налаживание. Приступая к испытанию и налаживанию стабили-
затора, резистор R5 временно удаляют, чтобы система защиты не сра-
батывала, и подбором резистора R8 устанавливают выходное напря-
жение, равное 12 В. После этого включают резистор R5 и подбором
резистора R1 добиваются необходимого значения тока срабатывания
защиты устройства по току.
Подробное описание схемы приводится в [60].
Стабилизированный источник питания -220 В /0...12 В 500 мА
(AC-DC Step-Down -220/0...12 V)
Назначение. Это устройство представляет собой два независимых
источника питания радиоаппаратуры: постоянного напряжения, регу-
лируемого в пределах 0—12 В, и переменного, регулируемого в преде-
лах 0—215 В. Первый из них предназначен для питания приборов и
устройств на транзисторах и интегральных микросхемах, второй — для
плавного регулирования частоты вращения ротора сетевых электро-
двигателей, яркости свечения ламп накаливания, температуры жала
электропаяльника или нагревательного элемента, понижения сетевого
напряжения с 220 В до 127 В (вместо ЛАТРа) и других подобных целей.
Одновременно оба источника можно использовать для питания изме-
рительных приборов и устройств на цифровых микросхемах с высоко-
вольтными газоразрядными индикаторами.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
145
Характеристики. Максимальный ток нагрузки каждого из источ-
ников — 0,5 А. Напряжение переменной составляющей (пульсации)
источника постоянного тока не более 0,2 В.
Особенности. У каждого из источников «свой» выключатель пер-
вичной цепи питания, защитный предохранитель и вольтметр, показы-
вающий выходное напряжение. В источнике переменного напряжения
в качестве регулирующего элемента применен мощный транзистор
VT1, выполняющий роль своеобразного полупроводникового перемен-
ного резистора, включенного последовательно с нагрузкой. Такое тех-
ническое решение дает ряд преимуществ по сравнению с тиристорным
регулятором или ЛАТРом, например, не создает помех, проникающих в
электросеть, имеет небольшие габариты и массу. Транзисторный регу-
лятор позволяет управлять устройствами как с активной нагрузкой, так
и с реактивной. Он к тому же относительно прост и не содержит дефи-
цитных деталей.
Из недостатков наиболее серьезен один — на регулирующем тран-
зисторе выделяется большое количество тепла, что создает определен-
ные трудности с его отведением.
Схема. Принципиальная схема комбинированного блока питания
приведена на рис! 2.16. Диодный мост VD1—VD4 обеспечивает прямой
ток через транзистор VT1 при обоих полупериодах сетевого напряже-
ния. Пониженное трансформатором Т1 до 6 В сетевое напряжение сни-
мается с его обмотки И. Выпрямляет его диодный блок VD5 и сглажи-
вает конденсатор С1. Переменным резистором R1 регулируют базовый
ток транзистора VT1. Резистор Д2 — токоограничительный. Диод VD6
SA1 «Вкл.-»
Х2.
«Вкл.=»
«Напряжением
Рис. 2.16. Схема комбинированного блока питания
146 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
предотвращает попадание на базу транзистора VT1 напряжения отри-
цательной полярности.
Выходное напряжение контролируют по вольтметру PU1. Ток
нагрузки, работающей с таким источником переменного напряжения,
зависит от значения управляющего напряжения на базе транзистора
VT1. Изменяя это напряжение резистором R1, можно управлять током
коллектора транзистора, а, следовательно, и током через нагрузку. При
крайнем нижнем по схеме положении движка резистора R1 транзи-
стор VT1 оказывается полностью открытым и напряжение на нагрузке
будет максимальным. В крайнем же верхнем положении движка этого
резистора транзистор будет в закрытом состоянии и ток через нагрузку
прекратится.
Трансформатор Т2, питающий источник постоянного напряже-
ния, понижает переменное напряжение сети до 12 В. Это напряжение
выпрямляет диодный блок VD7, а пульсации напряжения, сглаживают
конденсаторы С2, СЗ. Стабилитрон VD8.H резистор R3 образуют пара-
метрический стабилизатор напряжения, а транзистор VT2 усиливает
выходную мощность этого источника. Напряжение, снимаемое с его
выхода, регулируют переменным резистором R4. Конденсатор С4 слу-
жит для фильтрации высокочастотных помех при питании от блока
устройств на цифровых микросхемах. Выходное напряжение контро-
лируют по вольтметру PU2. Транзисторы устанавливают на теплоотво-
дах с полезной площадью рассеяния для транзистора VT1 — не менее
300 см2, а для VT2 - 30 см2.
На лицевой панели блока размещают все органы управления, вольт-
метры и разъемы, а держатели предохранителя — на задней или одной
из боковых стенок. Все необходимые соединения выполняют отрез-
ками тонкого монтажного провода в надежной изоляции.
Аналоги. Кроме указанных на схеме, в блоке питания можно
использовать транзисторы: VT1 - КТ812А, КТ812Б, КТ824А, КТ824Б,
КТ828А, КТ834А-КТ834В, КТ840А, КТ840Б, КТ847А, КТ856А; VT2 -
КТ805АМ, КТ807А, КТ807Б, KT815A-KT815I4, КТ817А-КТ817Г, КТ819А-
КТ819Г. Диоды VD1 — VD4 должны быть рассчитаны на напряжение
не менее 250 В и ток не менее 1 А - например, КД202Ж-КД202С
или из серий Д245, Д246, Д247, Д248 с любым буквенным индексом.
Выпрямительные блоки VD5 u VD7 — КЦ405 с любым буквенным,
индексом; диод VD6 — Д237.
Можно использовать любые трансформаторы мощностью 6—10 Вт,
понижающие напряжение сети до 8—10 В (Т1) и 12—15 В (Т2), напри-
мер, трансформаторы ТС-25 или ТС-27 от телевизоров «Юность».
Налаживание. Источник питания налаживания не требует. Если
при монтаже не допущено ошибок и применены исправные детали,
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
147
К обмотке
IIТ2
К коллектору
VT2
KR4
KR4,X3(-),PU2
Кэммитеру
VT2,kX3(+),PU2
К коллектору
VT1
К обмотке IT1,
KSA1
KPU1.X2
Кэммитеру
VT1.KR1
Рис. 2.17. Печатная плата комбинированного блока питания
он начинает работать сразу после подключения к сети. Если регулиру-
ющий транзистор (VT1) выбрать из серии КТ856, то мощность, потре-
бляемая нагрузкой от сети, может достигать 150 Вт, с транзистором из
серии КТ834 - 200 Вт, а КТ847 - 250 Вт.
При необходимости еще больше увеличить выходную мощность
источника, регулирующий элемент составляют из нескольких парал-
лельно включенных транзисторов, соединив их одноименные выводы.
Эти транзисторы подбирают с возможно близкими коэффициентами
усиления и, кроме того, в их базовые цепи включают индивидуальные
уравнивающие резисторы.
Диоды VD1—VD4 придется заменить на более мощные, рассчитан-
ные на ток, не менее потребляемого нагрузкой. Диод VD6 также необ-
ходимо будет заменить на более мощный, способный пропускать ток
148
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
до 1 А. На больший ток должен быть рассчитан и предохранитель FU1.
Но в этом случае, возможно, придется установить небольшой венти-
лятор для интенсивного отведения тепла от полупроводниковых при-
боров.
Внимание.
Работая с этим блоком питания, не забывайте о мерах безопас-
ности. Помните, что источник переменного тока гальванически
связан с сетью!
Печатная плата. Печатная плата приведена на рис. 2.17.
Подробное описание схемы приводится в [186].
Стабилизированный источник питания +7...30 В /5 В 500 мА
(DC-DC Step-Down +7...30/5 V)
Назначение. Питание радиоаппаратуры током до 500 мА.
Характеристики. Высокий коэффициент стабилизации (около
5000) при токе нагрузки до 0,5 А.
Особенности. Несмотря на относительную простоту, этот стабили-
затор имеет весьма достойные характеристики. Достигнуто это за счет
фактического применения в нем двух стабилизаторов — последова-
тельного и параллельного. Минимальное
падение напряжения на регулирующем
элементе — 1,2 В, а максимальный ток
нагрузки определяется начальным током
стока полевого транзистора VT1 и коэф-
фициентом усиления транзистора VT2 и
может достигать 0,5—0,8 А.
Схема. Принципиальная схема стаби-
лизатора напряжения с высоким коэф-
фициентом стабилизации приведена на
рис. 2.18.
Подробное описание схемы приво-
дится в [129].
+7...30 В
т
Рис. 2.18. Схема блока питания для
питания радиоаппаратуры током
до 500 мА
Стабилизированный источник питания с плавной инверсией
выходного напряжения +12...15 В /±5 В 500 мА
(DC-DC Step-Down +12...15/±5 V)
Назначение. Источники питания с инверсией напряжения необхо-
димы для настройки радиоэлектронной аппаратуры, питания ревер-
сивных электродвигателей, электромагнитов.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
149
Схема. На рис. 2.19 приведена
схема простого источника питания,
позволяющего плавно изменять
напряжение на нагрузке от +U до -U.
Источник питания выполнен на
основе двух регулируемых стабили-
заторов напряжения DAI, DA2 типа
цА7805 (LM7805) или их аналога —
КР142ЕН5А(В). Регулировка выход-
ного напряжения стабилизаторов
взаимозависима, она осуществля-
ется потенциометром R2. Так, при
изменении величины R2 напряже-
ние на резисторе R4 изменяется от 5
DA1 7805
(КР142ЕН5А)
+ о
12...15В
вых
(-5...+5B)
DA2 7805
(КР142ЕН5А)
R4=R5<RH
Рис. 2.19. Схема источника питания
с плавной инверсией выходного
напряжения
до 10 В. Одновременно напряжение на резисторе R5 изменяется от 10
до 5 В. Таким образом, выходное напряжение на зажимах А-В плавно
регулируется от +5 до -5 В.
Налаживание. Наладка устройства заключается в подборе рези-
стора R1 до получения на резисторах R4 и R5 при регулировке R2, при
отключенной нагрузке, требуемых пределов изменения напряжения
относительно общей шины: 5—10 В и 10—5 В, соответственно.
Минимальное значение сопротивления нагрузки определяется
соотношением R > R4 = R5 и может доходить до 10 Ом. При этом ток
на выводах 2 микросхем, установленных на радиаторы, может дости-
гать 1,5 А, а резисторы R4, R5 должны иметь мощность рассеивания не
менее 10 Вт. Поскольку КПД источника питания невысок (11—14%), а
также из соображений снижения мощности, рассеиваемой на резисто-
рах R4, R5, желательно использовать более высокоомную нагрузку.
Так, при R > 100 Ом (R4 = R5 = 100 Ом), мощность рассеивания резисто-
ров — 1 Вт, а максимальный ток нагрузки составляет 50 мА (при R > 10 Ом
предельный ток в нагрузке ограничен значением 500 мА). При снижении
R ниже минимального значения (вплоть до короткого замыкания) U сни-
жается. Повреждения интегральных микросхем при этом не происходит.
Особенности. Схема может быть легко переделана на более высо-
кое выходное напряжение при использовании интегральных микро-
схем серий рА7806, рА7809 и т. д., либо их аналогов серии КР142ЕН5,
8,9. При выполнении потенциометра R2 на кольцевом замкнутом сер-
дечнике с диаметрально подведенными контактами и подключении к
оси потенциометра электродвигателя через редуктор, на выходе этого
устройства можно получить медленно меняющееся напряжение сину-
соидальной или иной формы.
Описание схемы приводится в [129].
150
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Стабилизированный источник питания +9...25 В /5 В 700 мА
(DC-DC Step-Down +9-25/5 V)
Назначение. Питание различной радиоэлектронной аппаратуры
током до 700 мА.
Особенности. Предлагаемый импульсный стабилизатор напряже-
ния от аналогичных устройств отличается простотой, хорошей повто-
ряемостью и отсутствием регулировочных элементов.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора приведена на
рис. 2.20. При включении питания напряжение на конденсаторе С2
равно нулю и через резистор R1, эмиттерные переходы транзисторов
VT1 и VT2 начинает протекать ток. Транзисторы VT1 и VT2, а вслед за
ними и транзисторы VT3 и VT4, открываются. Конденсатор С2 начи-
нает заряжаться током, протекающим через дроссель L1.
Когда напряжение на конденсаторе превысит напряжение стаби-
лизации стабилитрона VD3, транзисторы VT1 и VT2 закрываются, в
результате чего закрываются и транзисторы VT3, VT4. Диод VD4 обе-
спечивает путь тока дросселя L1, когда транзистор VT4 закрыт. Когда
напряжение на конденсаторе С2 станет меньше напряжения стабили-
зации стабилитрона VD3, процесс повторяется.
Характеристики. С указанными на схеме элементами выходное
напряжение стабилизатора составляет около 5 В, а максимальный
ток нагрузки — 0,5—0,7 А. Уровень пульсации при выходном токе
0,7 А — около 0,1 В и от нагрузки мало зависит: в большей степени он
зависит от сопротивления резисторов Ri и R2. КПД стабилизатора —
примерно 80—85%. Входное напряжение устройства ограничено пре-
дельно допустимыми напряжениями транзисторов VTl— VT4 и для
указанных приборов не должно
превышать 25 В.
Если потребуется стабилиза-
тор на другое выходное напря-
жение, следует установить
стабилитрон с напряжением
стабилизации, равным требу-
емому выходному. Другие эле-
менты устройства при этом не
изменяются, необходимо лишь
следить, чтобы рабочий ток ста-
билитрона, протекающий через
резистор R1, не был меньше
минимально допустимого для
этого прибора. В противном
VT4
КТ805БМ
Рис. 2.20. Схема простого импульсного
стабилизатора напряжения
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 151
случае сопротивление резисторов R1 и R2 следует уменьшить до полу-
чения нужного тока так, чтобы их соотношение осталось неизменным.
Элементная база и аналоги. Дроссель L1 намотан на кольцевом
магнитопроводе К20*12><6 из феррита М2000НМ с зазором 0,25 мм и
содержит 60 витков провода ПЭВ-2-0,6. Возможно применение про-
мышленных дросселей Д-0,3 (если ток нагрузки не превышает 0,3 А)
индуктивностью не менее 100 мкГн. Вместо транзистора VT3 можно
установить любой высокочастотный транзистор с максимальным
током коллектора не менее 300 мА, а вместо VT4 — любой из серий
КТ802, КТ805. Диод КД212Д (VD4) заменим любым диодом с допусти-
мой рабочей частотой не менее 100 кРц, например, из серий КД212,
КД213, КД2997—КД2999. Емкость конденсатора С1 (обязательно кера-
мического) может быть в пределах 0,33—1 мкФ.
Налаживание. Правильно собранный стабилизатор налажива-
ния не требует. С помощью осциллографа, подключенного к эмит-
теру транзистора VT4, проверяют наличие прямоугольных импульсов
частотой 20—80 кГц. Если частота следования импульсов выше 80 кГц
(при слишком высокой частоте начинает разогреваться транзистор
VT4), следует увеличить число витков дросселя L1.
Подробное описание схемы приводится в [168].
Стабилизированный источник питания +6...8 В /5 В1000 мА
(DC-DC Step-Down +6...8/5V)
Назначение. Питание низковольтных устройств током до 1 А.
Особенности. Схема экономичного источника питания с малой
разницей входного и выходного напряжения построена на дискретных
элементах.
Характеристики. Выходное напряжение — 5 В. Ток нагрузки—до 1 А.
Схема. Приведенная на рис. 2.21 схема обеспечивает нормальную
работу при минимальном напряжении на силовом транзисторе (0,7—
1,3 В). Это достигается за счет использования в качестве силового регу-
лятора транзистора (VT2) с малым напряжением U в открытом состоя-
нии, что позволяет обеспечить работу схемы стабилизатора при мень-
ших напряжениях вход-выход.
Схема имеет защиту (триггерного типа) на случай превышения тока
в нагрузке выше допустимой величины, а также от превышения напря-
жения на входе стабилизатора более 10,8 В.
Узел защиты выполнен на транзисторе VT1 и тиристоре VS1. При
срабатывании тиристора он отключает питание микросхемы DA1
(вывод 7 закорачивается на общий провод). В этом случае транзистор
VT3, а, значит, и VT2 закроются и на выходе будет нулевое напряже-
152
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
С6
30 VD2
, DA1:7
Рис. 2.21. Схема экономичного источника питания
с малой разницей входного и выходного напряжения
+*VT2 п
ние. Вернуть схему в исходное состояние
после устранения причины, вызвавшей
перегрузку, можно только выключением
и повторным включением блока пита-
ния. Конденсатор СЗ обычно не требу-
ется — его задача облегчить запуск схемы
в момент включения.
Схему можно дополнить светоди-
Рис. 2.22. схема светодиодного одным индикатором срабатывания
индикатора защиты (HL1). Для этого потребуется
установить дополнительные элементы: диод VD3 и резистор R10, как
это показано на рис. 2.22.
Элементная база. При изготовлении стабилизатора использованы
следующие детали: подстроечный резистор R8 типа СПЗ-19а, остальные
резисторы любого типа; конденсаторы С1 — К50-29В на 16 В, С2—С4,
С6 - К10-17, С5 - К52-1 на 6,3 В.
Топология печатной платы для монтажа элементов показана на
рис. 2.23. Данная плата содержит одну объемную перемычку.
Подробное описание схем приводится в [175].
Стабилизированный источник питания +16...20 В /12 В1000 мА
(DC-DC Step-Down +16...20/12 V)
Назначение. Стабилизатор предназначен для питания радиолюби-
тельских конструкций током до 1 А.
Стабилизатор обладает низким уровнем пульсаций, небольшим
выходным сопротивлением, устойчивостью к токовым перегрузкам.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
153
Pi/c. 2.23. вид печатной платы
Характеристики. При выходном напряжении 12 В и токе нагрузки
до 1А коэффициент стабилизации и коэффициент подавления пуль-
саций превышает 2000, а выходное сопротивление составляет 20 мОм.
При появлении перегрузок стабилизатор ограничивает ток на уровне
в 2—2,5 раза больше номинального тока, и предохранитель успевает
сгореть раньше, чем температура перехода транзистора V3 превысит
максимально допустимую величину.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора 12 В 1А приведена на
рис. 2.24.
Стабилизатор содержит регулирующий транзистор (V3), усилитель
постоянного тока (V4) и устройство сравнения (V6). Стабилитрон V5 и
резистор R6 образуют источник опорного напряжения. Цепочка R7, С1
и конденсатор С2 устраняют возможное самовозбуждение стабилиза-
тора на высоких частотах. Коллекторный ток транзистора V6 задается
резистором R4 и составляет 1—1,5 мА. Резистор R3 служит для ограни-
чения коллекторного тока транзистора V4 при переходных процессах
154
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 2.24. Схема стабилизатора 12 В1А
и перегрузках стаби-
лизатора.
Поскольку источник
опорного напряжения
питается выходным
напряжением, отсут-
ствующим в момент
включения стабилиза-
тора, введена специ-
альная цепочка запу-
ска из резистора R1,
стабилитрона VI с напряжением стабилизации, равным или несколько
меньшим, чем у стабилитрона VS, и развязывающего диода V2.
Когда на стабилизатор подают напряжение, через резистор R1, диод
V2 и транзистор V6 протекает ток, достаточный для открывания тран-
зисторов V3 и V4. После того как стабилизатор войдет в нормальный
режим работы, диод V2 отключает цепь запуска. Транзистор V3 (а при
больших токах нагрузки и V4) следует установить на радиатор. Если
стабилизатор возбуждается на высоких частотах, подбирают детали
цепочки R7, С1.
Налаживание. В случае плохого запуска стабилизатора при подклю-
ченной нагрузке и минимальном напряжении на его входе, подбирают
резистор R1 (уменьшают его сопротивление). Подбором резистора R3
устанавливают уровень ограничения тока (2—2,5 А). Стабилизатор под-
ключают к выпрямителю, рассчитанному на ток нагрузки не менее 1 А.
Описание схемы приводится в [129].
Стабилизированный источник питания
~220В/+9...25В1000мА
(AC-DC Step-Down ~220/+9„.25 V)
Назначение. Стабилизатор предназначен для двуполярного пита-
ния радиолюбительских конструкций током до 1А при регулируемом
напряжении питания от 5 до 25 В.
Характеристики. Источник питания обеспечивает двуполяр-
ное выходное напряжение, которое можно изменять от 5 до 25 В.
Максимальный ток нагрузки может достигать 1 А.
Особенности. При превышении этого тока или коротком замыка-
нии по выходу срабатывает устройство защиты и выходное напряжение
резко снижается одновременно по обоим каналам.
Схема. Принципиальная схема источника питания представлена на
рис. 2.25. Трансформаторы Т1 и Т2 включены как понижающие, каж-
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
155
VT2 КТ819БМ
VT5
КТ814А
КТ3107Б
VT6
КТ818Б
Рис. 2.25. Источник питания на трансформаторе
кадровой развертки телевизора ТВК-110ЛМ
дый из них «работает» на оба канала. Выпрямители выполнены на дио-
дах VD1—VD4, выпрямленное напряжение сглаживается конденсато-
рами С1 и С2 сравнительно большой емкости.
На транзисторах VT1, VT2, VT10 собран по компенсационной схеме
стабилизатор напряжения канала положительной полярности, а на
транзисторе VT9 и стабилитроне VD5 — источник образцового напря-
жения для этого стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора
регулируют переменным резистором R5.
Транзистор VT7 и резистор R3 составляют узел токовой защиты.
Когда ток нагрузки превышает заданное значение, транзистор откры-
вается, и стабилизатор напряжения переходит в режим стабилизации
тока. В канале отрицательной полярности стабилизатор напряжения
собран на транзисторах VT4—VT6, а узел токовой защиты — на транзи-
сторе VT8 и резисторе R4.
Образцовым напряжением для этого стабилизатора служит выход-
ное напряжение стабилизатора канала положительной полярности,
которое через резистор R7 поступает на базу транзистора VT4. Поэтому
при изменении переменным резистором R5 напряжения положитель-
ной полярности будет изменяться и выходное напряжение отрицатель-
ной полярности.
Чтобы это изменение происходило синхронно и оба выходных
напряжения были максимально равны, резисторы R7 и R8 подобраны
с одинаковыми сопротивлениями, а в цепь стабилитрона введены
156
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
KVT2(3) KR5 KVT2(6)
+иВых
-иВых
Рис. 2.26. Вид печатной платы
встречно-параллельно включенные диоды VD6 и VD7. При нормально
работающем источнике питания напряжение, снимаемое с общей
точки соединения резисторов относительно общего провода, равно
нулю, и транзистор VT3, на базу которого поступает это напряжение,
закрыт.
Аналоги. Кроме указанных унифицированных трансформаторов,
в блоке можно использовать также готовые трансформаторы ТС-31-1
либо один трансформатор мощностью не менее 60 Вт с двумя вторич-
ными обмотками напряжением по 27—30 В при токе нагрузки до 1 А.
Транзистор VT1 может быть КТ815А-КТ815Г, КТ603А-КТ603Г,
КТ608А, КТ608Б; VT2 - КТ819А, КТ819Г, КТ805А, КТ805Б, КТ808А; VT3,
VT7, VT10 - КТ3102А-КТ3102В, КТ342В, КТ312В, КТ315В-КТ315Е; VT4,
VT8 - КТ3107А-КТ3107К, КТ361В-КТ361Е; VT5 - КТ814А-КТ814Г,
КТ816А-КТ816Г; VT6 - КТ818А-КТ818Г; VT9 - КПЗОЗД, КПЗОЗЕ,
КП302А, КП302Б, КП307А, КП307Б. Диоды VD1-VD4 - Д242, Д242Б,
Д245, КД202А-КД202К или аналогичные мощные; VD6, VD7 - КД105Б,
КД105Г, КД103А, КД103Б, а также другие кремниевые выпрямительные
диоды. Стабилитрон VD5 — КС133А, КС139А, КС147А. Мощные диоды
VD1—VD4 можно использовать без радиаторов, а вот транзисторы VT2
и VT6 необходимо установить на радиаторы общей площадью поверх-
ности не менее 200 см2.
Налаживание. При проверке работы блока в случае необходимости
изменить диапазон регулировки выходного напряжения следует подо-
брать резистор R6. Значение тока срабатывания защиты можно устано-
вить подбором резисторов R3 и R4.
Печатная плата приведена на рис. 2.26.
Подробное описание схемы приводится в [51].
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
157
Стабилизированный источник питания
-220 В /+ 5; 9; 12 В1000 мА (AC-DC Step-Down -220/+ 5; 9; 12 V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры током до 1 А.
Схема. С появлением в продаже недорогих и надежных трехвыво-
дных интегральных стабилизаторов напряжения, можно собрать про-
стой источник питания на ряд наиболее часто применяемых напряже-
ний (рис. 2.27). Источник питания состоит из понижающего трансфор-
матора 220 В / 30 В, мостового выпрямителя на основе модуля КЦ405А
и трех стабилизаторов серии 78хх (К142ЕН) на 5 В, 9 В и 12 В. На перед-
нюю панель выведен переключатель SA2 и блок индикации на семисег-
ментных индикаторах.
Серия интегральных стабилизаторов 78хх обеспечивает выход-
ной ток нагрузки до 1 А, снабжена внутренней защитой для случаев
перегрева или чрезмерного тока нагрузки за счет уменьшения выход-
ного тока.
Серия интегральных стабилизаторов 79хх предназначена для
отрицательных напряжений. Напряжение стабилизации указывается в
последних двух цифрах обозначения микросхем.
DA3
DA2
DA1
Рис. 2.27. Схема простого источника питания
на ряд наиболее часто применяемых напряжений
158
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Соответствие стабилизаторов серий 78хх и 79хх отечественным ста-
билизаторам серий КР142 и КР1162:
7805 (+5 В/1,5 А) КР142ЕН5А;
КР142ЕН8А;
КР142ЕН8Б;
КР142ЕН9Б;
КР1162ЕН5А;
КР1162ЕН8А;
КР1162ЕН12А;
КР1162ЕН24А.
Применение. Входное напряжение не должно превышать 30—35 В.
Разность напряжений при соединении стабилизаторов ступенькой
должна быть не менее 2 В. Для сглаживания пульсации следует при-
менять на входе электролитический конденсатор емкостью не менее
4700 мкФ, а на выходе поставить высокочастотный керамический емко-
стью не менее 0,47 мкФ.
7809 (+9 В/1 А)
7812 (+12 В/1 А)
7824 (+24 В/1 А)
7905 (-5 В/1 А)
7909 (-9 В/1 А)
7912 (-12 В/1 А)
7924 (-24 В/1 А)
SA1
-220 В
VD1 +12 В
КД212А
Общ.
-12В
Рис. 2.28. Схема простого источника питания с биполярным напряжением на выходе
При необходимости получить биполярное напряжение, можно
совместить стабилизаторы серий 78хх и 79хх (рис. 2.28). Диоды, вклю-
ченные на выходе, предохраняют блок от неправильного включения.
Подробное описание схемы приводится в [126].
Стабилизированный источник питания с плавной регуляцией
-220 В /±12 В1000 мА (AC-DC Step-Down ~220/±12 V)
Назначение. Для радиоэлектронных устройств, требующих питания
с плавным изменением полярности.
Особенности. Особенность этого источника питания в том, что
вращением ручки-регулятора можно не только изменять выходное
напряжение, но и его полярность. Практически напряжение регулиру-
ется от +12 до -12 В. Достигнуто это благодаря немного необычному
включению стабилизаторов двуполярного источника питания так, что
оба стабилизатора регулируются при помощи одного переменного
резистора.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
159
Рис. 2.29. Схема источника питания
с плавным изменением полярности
и напряжением от +12 до -12 В
Схема. Принципиальная
схема источника показана
на рис. 2.29. Выпрямитель —
двуполярный, выполненный
по стандартной схеме на
трансформаторе Т1 с вто-
ричной обмоткой с отводом
от середины, диодном мосте
VD1 и конденсаторах С1 и С2.
В результате на его
выходе получается двупо-
лярное напряжение. Это
напряжение поступает на
два стабилизатора на тран-
зисторах VT1 и VT3 (регулировка положительного напряжения) и на
транзисторах VT2 и VT4 (регулировка отрицательного напряжения).
Примечание.
Отличие от стандартной двуполярной схемы в том, что выходы
стабилизаторов включены вместе, и в том, что для регулировки
напряжения используется один общий переменный резистор R5.
Таким образом, если движок этого резистора установлен точно
посередине, и напряжение на нем относительно общего провода равно
нулю, то:
♦ оба стабилизатора закрыты;
♦ напряжение на выходе схемы также равно нулю.
Если движок начали перемещать в сторону положительных напряже-
ний (вверх по схеме), начинает открываться стабилизатор положитель-
ного напряжения на транзисторах VT1 и VT3, а стабилизатор отрица-
тельных напряжений VT4 и VT2 по-прежнему остается закрытым.
Элементная база. В конструкции используется готовый трансфор-
матор мощностью 10 Вт, выдающий на вторичной обмотке два пере-
менных напряжения по 12 В.
в
Примечание.
Емкости конденсаторов С1 и С2 не должны быть меньше
1000 мкФ, нужно учитывать, что от них зависит уровень пульса-
ции на выходе.
Аналоги. Стабилитроны могут быть любые маломощные на напря-
жение 12 В. Транзистор КТ817 можно заменить на КТ815, КТ807, КТ819.
Транзистор КТ816 - на КТ814. Транзисторы КТ502 и КТ503 можно заме-
нить, соответственно, на КТ361 и КТ315. Выпрямительный мост можно
160
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
использовать другой, например, КЦ402 или собрать его из диодов типа
Д226 или КД105. Транзисторы VT1 и VT2 нужно поставить на небольшие
теплоотводы.
Подробное описание схемы приводится в [52].
Стабилизированный источник питания -220 В /4...12 В 1500 мА
(AC-DC Step-Down -220/4...12 V)
Назначение. Лабораторный источник питания способен обеспе-
чить стабилизацию как тока, так и напряжения. Он применяется для
питания электронных устройств током до 1200 мА.
Особенности. Основой источника служит электронный стабилиза-
тор — именно он определяет все выходные параметры устройства. При
сравнительной схемной простоте стабилизатор имеет хорошие пара-
метры, прост в эксплуатации.
Характеристики в режиме стабилизации напряжения. Выходное
напряжение при токе нагрузки 1,5 А — 4—12 В. Коэффициент стабили-
зации — 500—1000. Напряжение пульсаций — не более 5 мВ. Выходное
сопротивление — 0,05 Ом.
Характеристики в режиме стабилизации тока. Выходной ток —
0,05—1,5 А. Выходное сопротивление — не менее 1 кОм. Напряжение
пульсаций — не более 5 мВ.
Схема. Принципиальная схема источника показана на рис. 2.30.
Упрощения схемы и получения при этом значительного выходного
тока (до 1,5—2 А) удалось добиться использованием в регулирующем
SA1
«Вкл.»
Т1
ш
VD1-J- ,rVD2
КД105Б** ^КД105Б
FU1
0,5 А
vd3"a
КД202АФ
VT1 КТ361Б
С1 +
470 мк =
25 В
С2
: 4000 мк
25 В
/VT3
КП103Д
R8
«Выходной
ток» R10
«Выходное
VT5 КП103Д напряжение»
i VD8
> КС133А
Рис. 2.30. Схема комбинированного лабораторного источника питания
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 161
элементе блока мощного полевого транзистора VT4, имеющего боль-
шую крутизну характеристики (100—150 мА/В). Это позволило полу-
чить большой коэффициент стабилизации напряжения при использо-
вании в управляющем элементе только одного транзистора VT2.
Но для того, чтобы регулирующий полевой транзистор обеспечивал
большой выходной ток, необходимо подавать на затвор открывающее
напряжение 10—20 В. По этой причине в блоке предусмотрены два
источника на напряжение 20 В:
♦ мощный на диодах VD3, VD4 — служит источником нагрузоч-
ного тока;
♦ маломощный на диодах VD1, VD2 — питает управляющий эле-
мент.
Источники питаются от одной вторичной обмотки сетевого транс-
форматора Т1.
В стабилизатор напряжения входят:
♦ регулирующий (VT4) и управляющий (VT2) транзисторы;
♦ измерительный элемент на резисторах R9—R11 и конденсаторе СЗ;
♦ источник образцового напряжения — параметрический стаби-
лизатор на транзисторе VT5 и стабилитроне VD8.
Выходное напряжение-регулируют переменным резистором R10.
В стабилизатор тока входят:
♦ источник образцового напряжения (транзистора VT3 и стаби-
литрона VD7);
♦ датчик тока нагрузки (резистора R6);
♦ управляющий элемент (ОУ DA1).
Регулирующим элементом стабилизатора тока служит тот же
транзистор VT4. На транзисторе VT1, диодах DV5, VD6 и светодиоде
HL1 собран узел индикации блока. Стабилизируемый ток устанавли-
вают переменным резистором R8.
В режиме стабилизации напряжения транзистор VT2 работает в
линейном режиме, а ОУ DA1 насыщен и в работе не участвует.
В режиме стабилизации тока, наоборот, ОУ работает в линей-
ном режиме и управляет транзистором VT4, а транзистор VT2 закрыт.
Переход из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации
тока происходит автоматически, при увеличении тока нагрузки до
установленного значения. Выходное напряжение при этом уменьша-
ется. Если сопротивление нагрузки увеличивается, то увеличивается
выходное напряжение до установленного значения, после чего блок
переходит снова в режим стабилизации напряжения.
При замыкании выходной цепи устройство остается в режиме ста-
билизации установленного тока, а выходное напряжение уменьшается
до нуля. Поэтому перегрузка по току устройству не грозит. После
162
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
устранения причины замыкания или уменьшения тока нагрузки, ниже
установленного, источник питания автоматически переходит в режим
стабилизации напряжения, светодиод гаснет.
D
Примечание.
Такое качество лабораторного источника питания позволяет
устанавливать для каждого конкретного случая свое значение
максимально достижимого тока нагрузки и тем самым обеспе-
чить защиту от перегрузки как испытуемого устройства, так и
самого блока.
Источник позволяет получать и меньшее, чем 0,05 А, значение ста-
билизируемого тока, но в этом случае необходимо обеспечить более
плавное регулирование напряжения на неинвертирующем входе ОУ
DA1. Это можно, например, сделать включением переменного рези-
стора сопротивлением 470 Ом между нижним по схеме выводом рези-
стора R8 и точкой соединения резистора R6, стабилитрона VD7 и стока
транзистора VT4.
Элементная база и аналоги. Кроме указанных на схеме, в источ-
нике можно использовать транзисторы КТ361А, КТ361В—КТ361Е,
КТ208А-КТ208М, КТ209А-КТ209М (VT1); КТ3102Б (VT2); КП103Г (VT3,
VT4). Транзистор VT4 при токе нагрузки до 1—1,5 А можно заменить на
КП901Б.
KHL1
KR8 Кзатв.\Л"4 KR8 KR10
Рис. 2.31. Вид печатной платы
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
163
Если же необходимо увеличить ток нагрузки до 2—3 А, то надо или
установить «в параллель» два транзистора КП901А (КП901Б), или же
применить один транзистор КП904А, при этом никаких переделок
в блоке не требуется. Но в последнем случае нижний предел регули-
ровки выходного напряжения поднимется до 5—6 В. Диоды VD1, VD2,
VD5, VD6 могут быть любыми из серии КД105, а также из серий КД521,
КД522, Д220. Диоды VD3, VD4 - КД201А, КД202Б-КД202Р, Д214, Д215,
Д242,Д243.
В качестве сетевого можно использовать унифицированный транс-
форматор ТПП266 или ТПП267, ТПЩ78. Годится и любой другой транс-
форматор с магнитопроводом сечением не менее 5 см и вторичной
обмоткой, каждая половина которой обеспечивает переменное напря-
жение 12,5—14,5 В при токе нагрузки 2 А.
Печатная плата приведена на рис. 2.31.
Подробное описание схемы приводится в [90].
Стабилизированный источник питания
~220В/11,5.Л4В4000мА
(AC-DC Step-Down ~220/ll,5...14V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры стабильным
регулируемым напряжением 11,5— 14 В и током до 4 А.
Особенности. При построении сильноточных стабилизаторов напря-
жения радиолюбители обычно используют специализированные микро-
схемы серии КР142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими,
включенными параллельно, биполярными транзисторами.
Характеристики. Выходное напряжение— 11,5 —14В. Ток
нагрузки —до 4 А.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора (рис. 2.32) на мощных
биполярных транзисторах выполнена с использованием микросхемы
Рис. 2.32. Принципиальная схема стабилизатора
на мощных биполярных транзисторах
164
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный
аналог TL431). Максимальный ток нагрузки у этого варианта стабили-
затора — не более 4 А.
Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилиза-
тор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента
применен мощный составной транзистор. Трансформатор должен обе-
спечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при макси-
мальном токе нагрузки.
Подробное описание схемы приводится в [94].
Стабилизированный источник питания +60 В/5...30 В 5000 мА
(DC-DC Step-Down +60/5...30V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры током до 5 А.
Характеристики. Выходное напряжение в пределах 5—30 В. Ток
нагрузки — до 5 А.
Схема. Принципиальная схема источника питания представлена на
рис. 2.33.
Кроме микросхемы и регулирующего транзистора он содержит изме-
рительный мост, образованный резисторами R2—R5, R7, и компаратор
наОУБА2.
Особенность моста в том, что через входящий в него резистор R7
протекает большая часть тока нагрузки. Требуемое выходное напряже-
ние устанавливают подстроечным резистором R6, значение тока (в дан-
ном случае 5 А), при превышении которого стабилизатор напряжения
становится стабилизатором тока, — резистором R2.
иВых
Рис. 2.33. Схема мощного стабилизатора напряжения
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 165
При токе нагрузки, меньшем 5 А, падение напряжения на резисторе
R7 таково, что входное напряжение ОУ DA2 больше 0. Поэтому его
выходное напряжение положительно, диод VD1 закрыт, а компаратор
не оказывает на работу стабилизатора напряжения никакого влияния.
Увеличение тока до 5 А и соответствующее падение напряжения на
резисторе R7 приводят к тому, что входное напряжение ОУ DA2 начала
уменьшается до 0, а затем меняет знак. В результате его выходное
напряжение также становится отрицательным, диод VD1 и светодиод
HL1 открываются, а напряжение на выходе микросхемы устанавлива-
ется на уровне, соответствующем току нагрузки 5 А. При восстановле-
нии номинальной нагрузки выходное напряжение возрастает до задан-
ного значения.
Дальнейшее уменьшение выходного тока приводит к тому, что вход-
ное, а за ним и выходное напряжения ОУ, вновь становятся положи-
тельными, диод VD1 закрывается, а устройство возвращается в режим
стабилизации напряжения.
Подробное описание схемы приводится в [177].
Стабилизированный источник питания +60 В/3...50 В 5000 мА
(AC-DC Step-Down +60/3...50V)
Назначение. Для питания некоторых радиотехнических устройств,
когда имеются повышенные требования к уровню минимальных
выходных пульсаций и стабильности напряжения.
Особенности. Чтобы обеспечить эти требования, источник питания
приходится выполнять на дискретных элементах.
Если источник питания предполагается использовать в широком
температурном диапазоне (-60...+100°С), то для получения хороших
технических характеристик необходимо применять дополнитель-
ные меры. К их числу относится повышение стабильности опорных
напряжений. Это можно осуществить за счет выбора стабилитронов
VD1, VD2 с минимальным ТКН, а также стабилизации тока через
них. Обычно стабилизацию тока через стабилитрон выполняют при
помощи полевого транзистора или же применением дополнитель-
ной микросхемы, работающей в режиме стабилизации тока через
стабилитрон. Кроме того, стабилитроны обеспечивают наилучшую
термостабильность напряжения в определенной точке своей харак-
теристики. В паспорте на прецизионные стабилитроны обычно это
значение тока указывается, и именно его надо устанавливать под-
строечными резисторами при настройке узла источника опорного
напряжения. Для этого в цепь стабилитрона временно включается
миллиамперметр.
166
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Характеристики. Выходное напряжение — до 50 В. Ток нагрузки —
1-5 А.
Схема. Приведенная на рис. 2.34 схема является универсальной.
На ее основе можно сделать высококачественный источник пита-
ния на любое напряжение и ток в нагрузке. Источник питания собран
на широко распространенном сдвоенном операционном усилителе
(КР140УД20А) и одном силовом транзисторе VT1. При этом схема имеет
защиту по току, которую можно регулировать в широких пределах.
На операционном усилителе DA1.1 выполнен стабилизатор напряже-
ния, a DA1.2 используется для обеспечения защиты по току. Микросхемы
DA2, DA3 стабилизируют питание схемы управления, собранной на DA1,
что позволяет улучшить параметры источника питания.
xi
С6 +
ЮОООмкф
63 В
VT11
КТ827А
DA2
КР1157ЕН1501Б
з|
+15В
С4 _
470 мк
50 В
С5
=ф=470мк
50 В
_
2 47мк
25 В
С8+
47мк=
25 В
2| [3
DA3
КР1168ЕН1Б
-15В
+15В
VD1 --,
Д818ЕА
A818E
0,51
VD13
КД103А
С9
=|=470мк
50 В
о-
Х2
Рис. 2.34. Схема мощного стабилизатора с защитой по току
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 167
Работает схема стабилизации напряжения следующим образом. С
выхода источника (Х2) снимается сигнал обратной связи по напряже-
нию. Этот сигнал сравнивается с опорным напряжением, поступающим
со стабилитрона VD1. На вход ОУ подается сигнал рассогласования (раз-
ность этих напряжений), который усиливается и поступает через рези-
сторы RIO—R11 на управление транзистором VT1.
Таким образом, выходное напряжение поддерживается на задан-
ном уровне с точностью, определяемой коэффициентом усиления ОУ
DA1.1. Нужное выходное напряжение устанавливается резистором R5.
Для того, чтобы у источника питания имелась возможность устанавли-
вать выходное напряжение более 15 В, общий провод схемы управления
подключен к клемме «+»(XI). При этом для полного открывания сило-
вого транзистора (VT1) на выходе ОУ потребуется небольшое напряже-
ние (на базе VT1 U = +1,2 В).
Q
Примечание.
Такое построение схемы позволяет выполнять источники пита-
ния на любое напряжение, ограниченное только допустимой вели-
чиной напряжения коллектор-эмиттер (U) для конкретного типа
силового транзистора (для КТ827А максимальное U= 80 В).
В данной схеме силовой транзистор является составным и поэтому
может иметь коэффициент усиления в диапазоне 750—1700. Это позволяет
управлять им небольшим током — непосредственно с выхода ОУ DA1.1,
что снижает количество необходимее элементов и упрощает схему.
Схема защиты по току собрана да ОУ DA1.2. При протекании тока в
нагрузке на резисторе R12 выделяется напряжение, которое через рези-
стор R6 прикладывается к точке соединения R4, R8, где сравнивается с
опорным уровнем. Пока эта разница отрицательна (что зависит от тока
в нагрузке и величины сопротивления резистора R12) — эта часть схемы
не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения. Как только
напряжение в указанной точке станет положительным, на выходе ОУ DA1.2
появится отрицательное напряжение, которое через диод VD12 уменьшит
напряжение на базе силового транзистора VT1, ограничивая выходной ток.
Уровень ограничения выходного тока регулируется с помощью
резистора R6. Параллельно включенные диоды на входах операционных
усилителей (VD3—VD6) обеспечивают защиту микросхемы от поврежде-
ния в случае включения ее без обратной связи через транзистор VT1 или
при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение
на входах ОУ близко к нулю, и диоды не оказывают влияния на работу
устройства. Установленный в цепи отрицательной обратной связи кон-
денсатор СЗ ограничивает полосу усиливаемых частот, что повышает
устойчивость работы схемы, предотвращая самовозбуждение.
168 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
При использовании указанных на схемах элементов данные источ-
ники питания позволяют на выходе получать стабилизированное
напряжение до 50 В при токе 1—5 А.
Силовой транзистор устанавливается на радиатор, площадь которого
зависит от тока в нагрузке и напряжения U. Для нормальной работы
стабилизатора это напряжение должно быть не менее 3 В.
Элементная база. При сборке схемы использованы детали: под-
строечные резисторы R5 и R6 типа СПЗ-19а; постоянные резисторы R12
типа С5-16МВ на мощность не менее 5 Вт (мощность зависит от тока в
нагрузке), остальные — из серии МЛТ и С2-23 соответствующей мощ-
ности. Конденсаторы Cl, C2, СЗ — типа К10-17, оксидные полярные кон-
денсаторы С4—С9 — типа К5О-35 (К50-32). Микросхема сдвоенного опе-
рационного усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом
цА747 или двумя микросхемами 140УД7; стабилизаторы напряжения:
DA2 на 78L15, DA3 на 79L15.
Параметры сетевого трансформатора Т1 зависят от необходимой
мощности, поступающей в нагрузку. Йр вторичной обмотке трансфор-
матора после выпрямления на конденсаторе С6 должно обеспечиваться
напряжение на 3—5 В больше, чем требуется получить на выходе стаби-
лизатора.
Подробное описание схемы приводится в [175].
Мощный источник питания 12 В и током нагрузки до 6000 мА
Назначение. Зарядка автомобильных аккумуляторных батарей и
питание мощных автомобильных устройств.
Особенности. Радиоэлектронные устройства, ориентированные на
питание от бортовой сети автомобиля (мощные автомагнитолы и ради-
останции и специальные электронные системы), потребляют ток около
3 А. Поэтому при их эксплуатации в стационарных условиях возникает
проблема блока питания.
Решить ее поможет выпрямительное устройство «ВУ-1» производ-
ства Ульяновского приборостроительного завода, предназначенное для
зарядки автомобильных аккумуляторных батарей.
D
Примечание.
Дело в том, что «ВУ-1», по сути, представляет собой половину
нужного устройства. Оно имеет достаточную мощность (до
100 Вт). Остается только дополнить его стабилизирующей при-
ставкой на напряжение 12 В при токе до 6 А.
Схема. Приставка выполнена по классической схеме (рис. 2.3S) стаби-
лизатора напряжения из недефицитных деталей невысокой стоимости.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
169
Рис. 2.35. Схема мощного источника питания 12 В 6 А
Работой составного транзистора VT1 управляет усилитель постоян-
ного тока на транзисторе VT2:
♦ его эмиттер подключен к источнику образцового напряжения,
состоящего из стабилитрона VD1 и резистора R2;
♦ его база подключена к измерительной цепи R3, R4.
Резистор R1 служит для подачи смещения на базу транзистора VT1.
Резистором R4 устанавливают необходимое выходное напряжение.
Конденсаторы С4 и С5 предотвращают возбуждение стабилизатора по
высокой частоте, а С1—СЗ образуют фильтр, сглаживающий пульсации
выходного напряжения «ВУ-1».
Элементная база. Детали приставки монтируют на печатной плате
из любого фольгированного материала. Печатные проводники сильно-
точных цепей должны быть шириной не менее 10 мм и хорошо облу-
жены. Площадь сечения монтажных проводов — не менее 2 мм.,
Описание схемы приводится по [128].
Стабилизатор напряжения 20 В и током нагрузки до 7000 мА
Назначение. Стабилизатор предназначен для питания от бортовой
сети автомобильных радио-аудиокомплексов.
Особенности. Стабилизатор
напряжения отличается малым
падением напряжения (и, соот-
ветственно, мощности) — всего
1,5—3 В при токе в нагрузке до
7—8 А. Его применение не только
снижает уровень помех, прони-
кающих в звуковые каналы, но и
защищает радиоаппаратуру от бро-
сков напряжения при включении/
выключении стартера и т. п.
Характеристики. Напря-
жение —до 20 В. Ток нагрузки — 7 А.
Рис. 2.36. Схема стабилизатор напряжения
20В7А
170
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Схема. Принципиальная схема стабилизатора представлена на
рис. 2.36.
Выходное напряжение регулируют резистором PR1, а транзистор
VT2 необходимо установить на радиатор площадью 15—20 см.
Подробное описание схемы приводится в [36].
Стабилизированный источник питания +24 В/14 В10 000 мА
(DC-DC Step-Down +24/14 V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры стабильным
напряжением 14 В и током до 10 А.
Характеристики. Стабилизатор обеспечивает максимальный ток
нагрузки до 10 А при напряжении пульсаций менее 1 мВ, выходное
сопротивление — 0,01 Ом. Выходное напряжение — 14 В.
Схема. Стабилизатор (рис. 2.37) собран по схеме моста в выходной
цепи, образованного резисторами R4;>R5, стабилитронами VD1, VD2
и светодиодом HL1. В диагональ моста Ьключен эмиттерный переход
транзистора VT4, управляющего регулирующим составным транзи-
стором VT1— VT3. Составной транзистор включен по схеме с общим
эмиттером. Более высокое по сравнению с эмиттерным повторителем
выходное сопротивление оконечного каскада компенсируется в этой
схеме тем, что выходной каскад имеет высокий коэффициент усиления
по напряжению, последнее заметно повышает коэффициент усиления
схемы стабилизатора. Так как напряжение на базе управляющего тран-
зистора VT4 по отношению к плюсовому проводу оказывается стаби-
лизированным, то изменения выходного напряжения передаются на
эмиттерный переход этого транзистора без ослабления делителем.
Максимальный ток
нагрузки задается резистором
R4. Ток базы транзистора VT3
не может превысить значения
тока, текущего через резистор
R4. Следовательно, подбором
этого резистора можно уста-
новить требуемый ток защиты.
Стабилизатор защищен и от
коротких замыканий в цепи
нагрузки. Ток короткого замы-
кания зависит от значения
запускающего тока, текущего
через резистор R3. Этот рези-
Рис. 2.37. Принципиальная схема
стабилизатора напряжения
с защитой от перегрузок
стор подбирается при мини-
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 171
мальном сопротивлении нагрузки по устойчивому запуску стабилиза-
тора.
Такая система обеспечивает надежный запуск стабилизатора и
практически не ухудшает параметров, поскольку в рабочем режиме ток
через резистор R3 замыкается через малое сопротивление открытого
стабилитрона VD2. Минимальное падение на транзисторах VT1, VT2
равно напряжению насыщения коллектор-эмиттер этого транзистора
(0,1—0,5 В в зависимости оттока нагрузки).
Напряжение на выходе стабилизатора определяется суммарным
напряжением стабилизации стабилитронов VD1 и VD2 за мину-
сом падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4.
Температурные изменения падения напряжения на светодиоде HL1
и стабилитроне VD1 компенсируются с температурным изменением
падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4.
Чтобы снизить зависимость порога срабатывания защиты и тока
короткого замыкания от температуры, радиатор регулирующих тран-
зисторов выбирают с запасом по эффективной площади теплового рас-
сеивания не менее 1000 см2.
Подробное описание схемы приводится в [141].
Стабилизированный источник питания -220 В/14 В 20 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/14 V)
Назначение. Предназначен для питания приборов и механизмов
электрооборудования автомобиля, установленной в нем радиоэлек-
тронной аппаратуры во время проводимых ремонтных или профилак-
тических работ.
Например, при подготовке автомобиля к техосмотру, к дальнему
путешествию, для подзарядки аккумуляторной батареи, проверки
системы зажигания, контрольно-измерительных приборов и т. п. От
него можно также питать портативную приемопередающую аппара-
туру с выходной мощностью до 100 Вт, причем круглосуточно.
Примечание.
Но следует учесть одно важное обстоятельство: для запуска дви-
гателя автомобиля стартером этот источник питания непри-
годен.
Характеристики. Ток в нагрузке, подключенной к источнику,
может достигать 20 А при напряжении пульсаций около 1 В.
Схема. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.38.
Двухполупериодный выпрямитель образуют:
♦ обмотка с выводами 7-8;
172
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
1Т1 7
VT1...VT3
Рас. 2.3Л Схема источника питания повышенной мощности
с током нагрузки до 20 А
♦ соединенные последовательно обмотки с выводами 9-10,11-13,
14-16 сетевого трансформатора Т1;
♦ диоды VD1-VD4.
Для уменьшения внутреннего сопротивления выпрямителя диоды
VD1, VD2 и VD3, VD4 его плеч включены параллельно. К тому же они
германиевые, поэтому и падение напряжения на них минимальное,
что способствует уменьшению выделяемого ими тепла.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения при-
менен оксидный конденсатор С1 большой емкости— 200000мкФ.
Резистор R1 и стабилитрон VD5 образуют параметрический стаби-
лизатор постоянного напряжения 10 В. Это напряжение, пульсации
которого дополнительно сглаживаются конденсатором С2, подается на
вывод 8 микросхемы-стабилизатора КР142ЕН5А (DA1) с фиксирован-
ным выходным напряжением 5 В.
С выхода (вывод 2) стабилизатора напряжение около 15 В поступает
на базу эмиттерного повторителя, составленного из трех соединенных
параллельно мощных транзисторов VT1—VT3.
D
Примечание.
Подбором стабилитрона VD5 с меньшим напряжением стабилиза-
ции можно устанавливать на выходе источника напряжение от 8
до 12 В.
На диоде VD6 и конденсаторе СЗ собран однополупериодный выпря-
митель переменного напряжения обмотки с выводами 14-16 сетевого
трансформатора, который питает светодиоД HL1 — индикатор подклю-
чения устройства к сети. Резистор R2 ограничивает ток, текущий через
светодиод.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 173
В принципе, светодиодный индикатор можно подключить к выходу
основного выпрямителя, но тогда из-за длительной разрядки фильтру-
ющего конденсатора С1 он будет еще некоторое время светиться после
размыкания контактов сетевого выключателя.
Элементная база и аналоги. Сетевой трансформатор Т1 — уни-
фицированный, марки ТН61. Заменить его можно трансформатором с
двумя вторичными обмотками, каждая из которых обеспечивает пере-
менное напряжение 14—16 В при токе нагрузки до 20 А. Конденсатор
С1 — оксидный К50-18 на номинальное напряжение 20 В.
Совет.
Надо иметь в виду, что оксидные конденсаторы имеют значи-
тельный разброс номинальной емкости и, кроме того, со временем
уменьшают емкость. Поэтому в источнике питания желательно
использовать конденсатор возможно большей емкости выпуска
последних лет.
Конденсатор С2 — К50-6, СЗ — KS3-1A или любые другие оксидные
на номинальное напряжение не менее 15 В. Диоды Д305 (VD1—VD4)
можно заменить на Д302 или КД219А — мощные с барьером Шоттки.
Стабилитрон VD5 — КС210В или Д814В. Может случиться, что при дли-
тельной работе источника под нагрузкой один из диодов основного
выпрямителя будет нагреваться больше, чем три других. Это укажет на
то, что его сопротивление в открытом состоянии больше, чем у других
диодов выпрямителя. Такой диод следует заменить.
Налаживание. Желаемую яркость свечения индикатора HL1 уста-
навливают подборкой резистора R2. Описанный здесь источник пита-
ния повышенной мощности не имеет узла защиты от перегрузок.
Поэтому, пользуясь им, избегайте случайных замыканий его выходных
гнезд — зажимов или в цепях питания подключаемых к нему устройств.
Примечание.
В случае длительной эксплуатации источника при максимальном
токе нагрузки необходимо контролировать температуру сете-
вого трансформатора - она не должна превышать 60°С.
Подробное описание схемы приводится в [34].
Стабилизированный источник питания -220 В/12 В 20 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/12 V)
Назначение. Питание 12-вольтовых устройств током до 20 А.
Схема. На рис. 2.39 показана схема стабилизированного источника
питания 12 В 20 А. Сетевой трансформатор Т1 рассчитан на мощность
174
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
17151311
.UUl
Рис. 2.39. Схема стабилизированного источника питания 12 В 20 А на ИМС К142ЕНЗ
450 Вт и имеет вторичную обмотку на 15 В. Основным стабилизатором
является ИМС DAI K142EH3. Резистором R1 устанавливают ток ограни-
чения. Резисторы R4—R6 являются выравнивающими и выполнены из
проволочных резисторов.
Элементная база. Транзисторы VT1,—VT3 размещены на теплоот-
воде, способном рассеивать более 100 Вт, микросхема DA1 также уста-
новлена на небольшом теплоотводе.
Совет.
В случае если нет возможности установить достаточной пло-
щади теплоотвод, то для лучшего охлаждения необходимо уста-
новить небольшой дополнительный вентилятор.
Подробное описание схемы приводится в [122].
Стабилизированный источник питания
-220 В/0...15 В 20 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/0...15 V)
Назначение. Источник предназначен для зарядки автомобильных
аккумуляторов и для питания различных электронных схем.
Особенности. Это простой, но мощный источник питания, выпол-
ненный на мощных составных транзисторах. Напряжение на выходе
устройства регулируется от 0 до 15 В.
Ток зависит от степени разряда аккумуляторных батарей и может
достигать 20 А. Так как катоды диодов и коллекторы транзисторов сое-
динены между собой, то все эти детали размещаются на одном большом
радиаторе без изолирующих прокладок. Если не предъявляются особые
требования к стабильности напряжения, то резистор R1 и стабилитрон
VD3 из схемы можно исключить. Добавив емкости, показанные на схеме
пунктиром, можно использовать устройство в качестве блока питания.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания
175
J 0,01 мк 11000 мк
Рис. 2.40. Схема мощного источника питания на дискретных элементах
с регулировкой напряжения от 0 до 15 В и током нагрузки до 20 А
Характеристики. Регулировка выходного напряжения от 0 до 15 В.
Максимальный ток нагрузки — 20 А.
Схема. Принципиальная схема мощного источника питания на дис-
кретных элементах представлена на рис. 2.40.
Подробное описание схемы приводится в [122].
Стабилизированный источник питания на ИМС КР142ЕН19
-220 В/13 В 20 000 мА (AC-DC Step-Down -220/13 V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры стабильным
напряжением 13 В и током до 20 А.
Особенности. При построении сильноточных стабилизаторов
напряжения радиолюбители обычно используют специализирован-
ные микросхемы серии КР142 и аналогичные, «усиленные» одним
или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзи-
сторами. Если для этих целей применить мощный переключательный
полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный
стабилизатор.
Характеристики. Выходное напряжение — 13 В. Ток нагрузки — до
20 А.
Схема. Принципиальная схема базового варианта стабилизатора
напряжения на мощном полевом транзисторе приведена на рис. 2.41, а.
Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около
13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживаю-
щий фильтр. На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряже-
ние поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на
затвор, открывая транзистор.
Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход
микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабили-
затора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе
управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В. В
этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе
176
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
оо* +
VT =4=4,7мк=ф=100мк|
15 к
KR2.R3.C3
Рис. 2.42. Схема стабилизатора напряжения на мощном полевом транзисторе:
а - базовый вариант схемы; б - модернизированный вариант схемы
мощного транзистора, т. е. частично закрывая его, и, таким образом,
устройство входит в режим стабилизации.
Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к
выпрямительному мосту (рис. 2.42, б). В этом случае напряжение на
конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде
VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно
при максимальном токе.
При необходимости плавной регулировки выходного напряжения
постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстро-
ечным резистором.
В стабилизаторе в качестве регулирующего элемента применен
мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для
работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стаби-
лизаторе он используется в линейном режиме. Транзистор имеет в
открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом),
обеспечивает ток до 30 А при температуре корпуса до 100°С, обладает
высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе
всего 2,5—3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может дости-
гать ПО Вт.
Элементная база. Полевым транзистором управляет микросхема
параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный
аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, рези-
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 177
+13B
г f:\ir "
сторы — МЛТ, С2-33, диод VD2 — выпрями- kci """^kvri
тельный с малым падением напряжения (rep- vl'
маниевый, диод Шоттки). Параметры транс- |ТГ31Г""1Ш!
форматора, диодного моста и конденсатора С1
выбирают исходя из необходимого выходного
напряжения и тока. Хотя транзистор и рассчи-
тан на большие токи и большую рассеиваемую -— -
мощность, для реализации всех его возмож-
ностей необходимо обеспечить эффективный Рис. 2АЪ. Вид печатной
т т платы
теплоотвод.
Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого зна-
чения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устрой-
ство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов.
Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с
помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то парал-
лельно конденсаторам С1, С2 и С4 следует подключить керамические
конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины.
Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1
и микросхеме DA1.
Печатная плата источника питания приведена на рис. 2.43. Эта
плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для
поверхностного монтажа, в том числе и микросхема КР142ЕН19 требует
замены на импортный аналог в корпусе SO-8.
Подробное описание схемы приводится в [94].
Стабилизированный источник питания на дискретных элементах
-220 В/13,5 В 20 000 мА (AC-DC Step-Down -220/13,5 V)
Назначение и характеристики. Питание стабильным напряже-
нием 13 В и током до 20 А автомобильного трансивера 13 В 20 А.
Особенности. Автомобильные трансиверы при передаче потре-
бляют значительный ток — до 20 А. Создание сетевого источника пита-
ния для таких устройств представляет серьезную проблему.
Схема. На рис. 2.44 приведена принципиальная схема источника
питания. Стабилизатор с защитой от замыканий выполнен на транзи-
сторах VT1—VT7. Выходное напряжение устанавливается подстроечным
резистором. Усилитель сигнала ошибки выполнен на дифференциаль-
ном каскаде VT6, VT7.
Повторитель на составном транзисторе VT5 управляет регулирую-
щими транзисторами VT1—VT4, в эмиттерные цепи которых включены
выравнивающие резисторы 0,12 Ом, обеспечивающие равномерное
распределение тока по всем четырем транзисторам (по 5 А на каждый).
178
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
VD1...VD4 38000...60000мк
50 В/20 А а«Сеть» 25А
13,5 В/20 А
VT1...VT4 2N3055 0.5 Вт
VT6,VT7 2N904
Ферритовое
колечко
Рис. 2.44. Схема источника питания для автомобильного трансивера (13 В 20 А)
Примечание.
Вторичная обмотка трансформатора должна быть рассчитана
на ток 20 А и напряжение 20 В. Диоды моста следует устанавли-
вать на радиаторах, при этом лучше использовать силовые диоды
с барьером Шоттки.
Элементная база. Сетевой выпрямитель, фильтрующие конден-
саторы и транзисторы VT1—VT4 установлены вне платы. Коллекторы
VT1—VT4 гальванически соединены с корпусом, что позволяет исполь-
зовать шасси в качестве радиатора без изолирующих прокладок. В каче-
стве VT1-VT4 можно использовать КТ819, VT5 - КТ827, VT6 и VT7 -
КТ814 с любым буквенным индексом.
Печатная плата приведена на рис. 2.45.
Подробное описание схемы приводится в [8].
Стабилизированный источник питания -220 В/14 В 200 000 мА
(AC-DC Step-Down -220/14 V)
Назначение. Питание устройств, обеспечивающих гальванику,
сварка и др., где нужен большой ток нагрузки.
Особенности. На первый взгляд, для стабилизации таких токов
необходимы и соответствующие мощные транзисторы. Вашему внима-
нию предлагается стабилизатор тока на 150 А (с плавной регулировкой
от нуля до максимума), выполненный на обычных, широко распростра-
ненных транзисторах серии КТ827. Примененное схемотехническое
решение позволяет легко увеличить или уменьшить максимальный
стабилизируемый ток.
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 179
180
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Характеристики. Выходное напряжение —14 В. Стабилизированный
ток-100-200 А.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора тока изображена на
рис. 2.46. Как видно, нагрузка включена несколько необычно — в раз-
рыв провода, соединяющего отрицательный вывод диодного моста
VD5—VD8 с общим проводом устройства. Все мощные транзисторы
VT1—VT16 включены по схеме с общим коллектором, но каждый из них
нагружен на свой уравнивающий резистор (R4—R19), также соединен-
ный с общим проводом. Таким образом, через подключенную к розетке
XS1 нагрузку стабилизатора протекает суммарный ток всех 16 транзи-
сторов. Ток через каждый из транзисторов VT1—VT16 выбран около 9 А,
что значительно меньше предельно допустимого значения для тран-
зисторов КТ827А—КТ827В. При падении напряжения на транзисторе
10—11 В рассеиваемая мощность достигает 100 Вт.
Т1 ТПП232
DA1...DA8
КР140УД20
VT1...VT16
КТ827А
0,01 мк
1 2 3
178 2
Рис. 2А6. Схема стабилизатора тока на с плавной регулировкой 100-200 А
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 181
Разброс параметров транзисторов и сопротивлений резисторов R4—
R19 не имеет значения, так как каждый транзистор управляется своим
операционным усилителем. Выходы ОУ DA1.1— DA8.2 через транзи-
сторы VT17—VT32 соединены с базами транзисторов VT1— VT16, а
напряжения обратных связей поданы на инвертирующие входы с эмит-
теров соответствующих транзисторов. ОУ поддерживают на инверти-
рующих входах (и, соответственно, на эмиттерах транзисторов VT1—
VT16) такие же напряжения, какие имеются у них на неинвертирующих
входах. На неинвертирующие входы всех ОУ подано стабильное управ-
ляющее напряжение с резисГивного делителя R2, R3, подключенного к
выходу интегрального стабилизатора DA11.
При изменении управляющего напряжения изменяется ток через
каждый из резисторов R4—R19 и, соответственно, через общую
нагрузку, подключенную к розетке XS1. Питаются ОУ от стабилизатора,
выполненного на микросхемах DA9, DA10 и транзисторе VT33.
Аналоги. Вместо составных транзисторов КТ827А в стабилиза-
торе тока можно применить транзисторы этой серии с индексами Б,
В, Г или комбинации из двух транзисторов соответствующей мощ-
ности (например, КТ315 + КТ819 с любыми буквенными индексами).
Сдвоенные ОУ КР140УД20 заменимы на К157УД2 или на одинарные ОУ
КР140УД6, К140УД7, К140УД14 и им подобные, стабилизатор 78L05 - на
КР142ЕН5А, КР142ЕН5В или 78М05, транзисторы КТ315Е - на КТ3102,
КТ603, диоды Д200 - на Д160. Вместо трансформатора ТПП232 (Т1)
допустимо применение ТПП234, ТПП253 или любого другого с двумя
вторичными обмотками на напряжение 16—20 В.
Резистор R1 может быть любого типа, R2 желательно применить
высокостабильный, например, С2-29. Для регулирования тока нагрузки
был использован переменный резистор СП5-35А (с высокой разреша-
ющей способностью), но можно, конечно, применить и любой другой,
обеспечивающий требуемую точность установки тока. Конденсатор СЗ
набран из десяти конденсаторов К50-32А, С4, С6 — К5О-35, остальные —
любого типа. Использовать в качестве СЗ один конденсатор большой
емкости нельзя, так как он будет сильно перегреваться из-за того, что
его выводы не рассчитаны на такие большие токи (недостаточное сече-
ние провода). Сдвоенные ОУ DAI—DA8, транзисторы VT17—VT32, инте-
гральный стабилизатор напряжения DA11, резисторы R2, R3 и конден-
саторы С4—С7 монтируют на печатной плате (рис. 2.47).
Конструкция. Транзисторы VT1—VT16 закрепляют на теплоотво-
дах, способных рассеять не менее 100 Вт каждый. Все 16 теплоотводов
собраны в батарею, для их охлаждения применены четыре вентилятора,
что позволило включать стабилизатор тока на долговременную посто-
янную нагрузку. Если нагрузка будет кратковременной или импульс-
182
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
83
ICVT21N—V * б
14O
О
2°
о
о
8О
VT22J
10
Р
г°
|о
1о
14O
О
3°
go
о
о
/%fl 8O
r VT24
ооо
э к б
615 э к б
оооо
5 X—V14 ./~4YI2^--vyT3
ioXi О V/ip VX1^) \21
°Х° ох° о/ о _А.о
о14
Рис. 2.47. Вид печатной платы
Глава 2. Схемотехника стабилизированных трансформаторных источников питания 183
ной, можно обойтись и теплоотводами меньших размеров. Резисторы
R4—R19 изготавливают из высокоомного (манганинового или констан-
танового) провода диаметром 1—2 мм и закрепляют на теплоотводах
соответствующих им транзисторов. Для охлаждения диодов VD5—VD8
используют стандартные теплоотводы, рассчитанные на установку дио-
дов Д200 (обдув их вентилятором не требуется).
Микросхему DA9 и транзистор VT33 размещают на небольших пла-
стинчатых теплоотводах.
Внимание.
При монтаже стабилизатора тока нужно учитывать, что через
некоторые цепи будет течь ток 150 А, поэтому их необходимо
выполнить проводом соответствующего сечения,
Подключая нагрузку к стабилизатору тока, следует помнить, что
на «земляном» проводе будет плюсовой выход стабилизатора.
Вторичная обмотка трансформатора Т2 должна обеспечивать напря-
жение около 14 В при токе нагрузки 150 А (хорошо подходит сварочный
трансформатор). Падение напряжения на сопротивлении нагрузки ста-
билизатора должно быть не более 10 В (остальное напряжение падает
на транзисторах VT1—VT16 и резисторах R4—R19). При большем паде-
нии напряжения на нагрузке придется повысить напряжение вторич-
ной обмотки трансформатора Т2, однако в этом случае необходимо
проследить, чтобы мощности рассеяния каждого из транзисторов не
превысила максимально допустимую.
Если необходимо увеличить или уменьшить отдаваемый в нагрузку
максимальный ток, можно, соответственно, увеличить или уменьшить
число транзисторов и ОУ. Таким образом, на основе описанного ста-
билизатора можно создать значительно более мощный источник тока.
Печатная плата стабилизатора представлена на рис. 2.47.
Подробное описание схемы приводится в [67].
ГЛАВА Ъ
СХЕМОТЕХНИКА БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
3.1. Принцип действия бестрансформаторных
источников питания
При необходимости использовать для наладки схемы осциллограф
блок питания нужно включать его через разделительный трансформатор.
Вариантов бестрансформаторных схем несколько:
♦ с балластным резистором;
♦ с балластным конденсатором;
♦ с импульсным AC/DC преобразователем на специализирован-
ных микросхемах.
D
Примечание.
Балластные резисторы и конденсаторы гасят излишек сетевого
напряжения. Поэтому, резисторы должны быть большой мощности,
а конденсаторы - должны быть пленочными (к примеру К73-17) и
рабочим напряжением не менее 630 В.
ВНИМАНИЕ!!!
Схемы бестрансформаторных источников питания не имеют
гальванической развязки от сети переменного тока, поэтому
при сборке, настройке и использовании такого источника пита-
ния необходимо быть предельно осторожным. При эксплуата-
ции устройства нельзя прикасаться к неизолированным частям
и элементам не только бестрансформаторного источника, но и
подключаемого к нему устройства! Берегите себя!
3.2. Лучшие конструкции бестрансформаторных
источников питания
Стабилизированный источник питания -220 В /3 В 500 мА
(AC-DC Step-Down -220/3 V)
Назначение. Питание низковольтных нагрузок с током в первичной
цепи (с учетом небольшого коэффициента трансформации) до 0,5 А,
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания 185
например, для питания аудиоплейера, переносного CD или МРЗ про-
игрывателей, радиоприемников.
Особенности. Использование конденсаторов для понижения напря-
жения, подаваемого на нагрузку от осветительной сети, имеет давнюю
историю. В 50-е годы радиолюбители широко применяли в бестранс-
форматорных источниках питания радиоприемников конденсаторы,
которые включали последовательно в цепь нитей накала радиоламп.
Это позволяло устранить гасящий резистор, являющийся источником
тепла и нагрева всей конструкции.
В последнее время заметен возврат интереса к источникам питания
с гасящим конденсатором. Присущий всем без исключения подобным
устройствам недостаток — повышенная опасность из-за гальваниче-
ской связи выхода с электрической сетью — ясно осознается, но допу-
скается в расчете на грамотность и аккуратность пользователя.
в
Примечание.
Однако эти сдерживающие факторы недостаточны, чтобы убе-
речь от беды, отчего бестрансформаторные устройства могут
иметь ограниченное применение.
Здесь может представлять интерес компромиссный вариант источника,
обеспечивающий электробезопасность, с гасящим конденсатором и про-
стым, доступным начинающему радиолюбителю трансформатором.
Таким трансформатор получится, если напряжение на его первич-
ной обмотке ограничить значением около 30 В. Для этого достаточно
600—650 витков сравнительно толстого, удобного при намотке провода;
ради упрощения можно для обеих обмоток использовать один и тот же
провод. Излишек напряжения здесь примет на себя конденсатор, вклю-
ченный последовательно с первичной обмоткой (конденсатор должен
быть рассчитан на номинальное напряжение не менее 400 В).
Примечание.
По такому принципу целесообразно организовывать питание низ-
ковольтных нагрузок с током в первичной цепи (с учетом неболь-
шого коэффициента трансформации) до 0,5 А.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В.
Выходное напряжение — 3 В. Максимальный ток нагрузки — 500 мА.
Схема. Принципиальная схема источника питания с гасящим кон-
денсатором представлена на рис. 3.1.
Для того чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки,
к выходу моста VD1—VD4 следует подключить стабилитрон Д815Г.
В нормальном режиме он не работает, поскольку имеет мини-
мальное напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста.
186
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
СГ
FU1
Т1
VD1..,VD4
КД208А
-220 В
560
С
С2
:10(
16В
7VT1
КТ815Б
■jnVD5
ЗВ
ТбОмк
10В
Рис. 5.1. Схема источника питания
с гасящим конденсатором
Предохранитель FU1 защи-
щает трансформатор и ста-
билизатор при пробое кон-
денсатора С1.
Для ограничения тока
при подключении источ-
ника питания к сети после-
довательно с конденса-
тором С1 необходимо включить резистор сопротивлением несколько
сотен ом, а для разрядки конденсатора после отключения — парал-
лельно ему резистор сопротивлением несколько сотен килоом.
Примечание.
В цепи последовательно соединенных емкостного (конденсатор
С1) и индуктивного (трансформатор Т1) сопротивления может
возникать резонанс напряжения. Об этом следует помнить при
конструировании и налаживании подобных источников питания.
Моточные элементы. Трансформатор можно собрать на маг-
нитопроводе Ш12х15. Для намотки подойдет провод ПЭВ-1 диаме-
тром 0,16 мм; число витков первичной и вторичной обмоток — 600 и
120—140, соответственно. Изготовить такой трансформатор удастся,
как говорится, «на коленке». Электрическую прочность не менее 2 кВ
обеспечит изоляционная прокладка между обмотками из лавсановой
пленки толщиной 0,1 мм или конденсаторной бумаги.
Описание схемы приводится по [129].
Конденсаторно-аабилитронный выпрямитель-220 В/3...5 В
(AC-DC Step-Down -220/3...5V)
Назначение. Питание некоторых видов маломощной радиоэлек-
тронной аппаратуры.
Особенности. Бестрансформаторные маломощные сетевые блоки
питания с гасящим конденсатором получили широкое распростране-
ние в радиолюбительских устройствах благодаря простоте своей кон-
струкции, несмотря на такой серьезный
недостаток, как наличие гальванической
связи источника питания с сетью.
Характеристики. Входное напряже-
ние — 220 В. Выходное напряжение — опре-
деляется параметрами элементов схемы.
Схема. Входная часть источника пита-
ния (рис. 3.2) содержит балластный кон-
иВых
Рис. 3.2. Схема конденсаторно-
стабилитронного выпрямителя
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания 187
денсатор С1 и мостовой выпрямитель из диодов VD1, VD2 и стабили-
тронов VD3, VD4. Для ограничения броска тока через диоды и стабили-
троны моста в момент включения в сеть последовательно с балластным
конденсатором следует включить токоограничивающйй резистор
сопротивлением 50—100 Ом.
Для разрядки конденсатора после отключения блока от сети, парал-
лельно ему необходим резистор сопротивлением 150—ЗООкОм. К
выходу блока подключают оксидный конденсатор фильтра емкостью
2000 мкФ на номинальное напряжение не менее 10 В. В результате
получаются функционально законченные блоки питания.
Элементная база и аналоги. При использовании мощных стаби-
литронов (Д815А—Д817Г), их можно установить на общий радиатор,
если в обозначении их типа присутствуют буквы ПП (стабилитроны
Д815АПП—Д817ГПП имеют обратную полярность выводов). В против-
ном случае диоды и стабилитроны необходимо поменять местами.
Внимание.
Гальваническая связь сети с выходом блока питания, а, значит, и с
питаемой аппаратурой, создает реальную опасность поражения
электрическим током. Об этом следует помнить при конструи-
ровании и налаживании блоков с конденсаторно-стабилитронным
выпрямителем.
Описание схемы приводится по [129].
Бестрансформаторный источник питания -220 В /5 В 300 мА
(AC-DC Step-Down -220/5 V)
Назначение. Питание некоторых видов маломощной радиоэлек-
тронной аппаратуры током до 300 мА.
Особенности. Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи
переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия
потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить зара-
нее пригодность конденсатора для использования в источнике можно,
просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через
полчаса. Если конденсатор успевает заметно разогреться, его следует
счесть непригодным для использования в источнике.
Практически не нагреваются специальные конденсаторы для про-
мышленных электроустановок — они рассчитаны на большую реактив-
ную мощность. Такие конденсаторы используют в люминесцентных
светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных элек-
тродвигателей и т. п.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В 50 Гц.
При номиналах элементов, указанных на схеме, ток короткого замы-
188
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
С1
350 В
С2
VD1
У=200мк1КЦ402А
25 В
DA1
КР142ЕН5А
2
Рис. 3.3. Схема источника питания
с конденсаторным делителем
кания на выходе источника пита-
ния равен 600 мА, напряжение
на конденсаторе С4 в отсутствие
нагрузки — 27 В.
Схема. Принципиальная схема
источника питания с конденса-
торным делителем представлена
на рис. 3.3.
Делитель напряжения пяти-
вольтового источника состоит из
бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих ниж-
нее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкФ. Поляризующими
диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста.
Подробное описание схемы приводится в [162].
Бестрансформаторный источник бесперебойного питания
-220 В /1,4 В1 мА (AC-DC Step-Down -220/1,4 V)
Назначение. Питание некоторых видов маломощной радиоэлек-
тронной аппаратуры, например, кварцованных электронно-механиче-
ских часов.
Особенности. Широко распространенные электронно-механи-
ческие часы-будильники китайскогб производства обычно питают
от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Их питание
можно дополнить небольшим бесперебойником.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В 50 Гц.
Выходное напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА.
Схема. Принципиальная схема источника бесперебойного питания
для кварцованных электронно-механических часов представлена на
рис. 3.4.
С1
со 0,05 мк
S 400 В
С2
:2м
'50 В
VD2
Д223
VD1
Д223 =
VT1
МП41А
СЗ
= 100мк
+ 25В
1-G1
1,5В
С4
Рис. 3.4. Схема источника бесперебойного питания
для кварцованных электронно-механических часов
Напряжение, снятое с делителя Cl, C2, выпрямляет узел на элемен-
тах VD1, VD2. СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не пре-
вышает 12 В.
Подробное описание схемы приводится в [162].
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания 189
Бестрансформаторный стабилизированный источник питания
-220 В /7...8,5 В (AC-DC Step-Down ~220/7...8,5 V)
Назначение. Данный стабилизатор можно применять с последо-
вательными стабилизаторами напряжения, имеющими постоянную
нагрузку, а также с нагрузкой, не требующей стабилизации напряжения.
Особенности. Источники питания обычно собираются по классиче-
ской схеме: выпрямитель переменного напряжения, конденсатор филь-
тра, стабилизатор. Однако в ряде случаев можно обойтись без фильтра,
который зачастую и является самым громоздким узлом источника
питания. Известно, что конденсатор, включенный в цепь переменного
тока, сдвигает его фазу на 90 градусов. Такой фазосдвигающий конден-
сатор применяют, например, при подключении трехфазного двигателя
к однофазной сети.
Емкостный фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения
однофазных выпрямителей, создавая приемлемое значение его посто-
янной составляющей, причем, чем больше емкость конденсаторов
фильтра, тем меньше пульсации и, соответственно, больше постоянная
составляющая. В трехфазных же выпрямителях, благодаря взаимному
перекрытию полуволн напряжения, постоянная составляющая больше,
что во многих случаях позволяет обойтись без емкостного фильтра.
Если в однофазном выпрямителе применить фазосдвигающий кон-
денсатор, обеспечивающий взаимное перекрытие полуволн выпрям-
ленного напряжения, во многих* случаях при постоянной нагрузке
можно обойтись без громоздкого емкостного фильтра или существенно
уменьшить его емкость.
Данный выпрямитель можно применять там, где необходимо умень-
шить габариты электронного устройства, поскольку размеры оксид-
ных конденсаторов емкостного фильтра, как правило, больше, чем
фазосдвигающего конденсатора сравнительно небольшой емкости.
Выигрыш в габаритах особенно заметен в сетевых выпрямителях, когда
выпрямляют непосредственно сетевое напряжение без использования
понижающего трансформатора. .
Еще одно преимущество предложенного варианта состоит в том,
что потребляемый ток практически постоянен (в случае постоянной
нагрузки), тогда как в выпрямителях с емкостным фильтром в момент
включения пусковой ток значительно превышает установившееся зна-
чение (вследствие заряда конденсаторов фильтра), что в некоторых слу-
чаях крайне нежелательно.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В.
Выходное напряжение определяется характеристиками стабилитрона
на выходе.
190
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
со
f
С1и0,2мкх630В
II VD1
R1
18к (
VD2
VD3 1 VD4
Ы 1 Ы{
и*\ щ и*\'
VD5 VD6
Ы Г **°
VD1...VD6
КД105В
1
■iVD7
*Д814А
Схема. Схема стабилизирован-
ного выпрямителя представлена на
рис. 3.5.
Трехфазный выпрямитель VD1—VD6
подключен к источнику переменного
напряжения через активное (рези-
я ,. - - crop R1) и емкостное (конденсатор С1)
Рис. 3.5. Схема стабилизированного v ' «
выпрямителя с малым уровнем сопротивления. Выходное напряжение
пульсаций выпрямителя стабилизирует стабили-
трон VD7. Конденсатор (или несколько параллельно включенных конден-
саторов для получения необходимой емкости) должен быть рассчитан на
работу в цепях переменного тока. Здесь, например, подойдут два парал-
лельно включенных конденсатора К73-17 емкостью по 0,1 мкФ.
Подробное описание схемы приводится в [123].
Бестрансформаторное зарядное устройство
-220 В /14 В 7 000 мА (AC-DC Step-Down -220/14 V)
Назначение. Описываемый конденсаторный преобразователь
напряжения предназначен для зарядки автомобильных аккумулятор-
ных батарей емкостью до 70 А-ч.
Особенности. Стремясь к уменьшению габаритов конструируемой
радиоаппаратуры, радиолюбители уделяют важное место миниатюри-
зации блока питания. Обычно эту задачу решают с помощью импульс-
ного преобразователя напряжения. Между тем существенный прогресс
в области электронных компонентов позволяет создавать малогабарит-
ные блоки питания, не содержащие трансформатора. Относительная
простота конструкции и доступность компонентов делают их привле-
кательными и для радиолюбителей.
Впервые подобное техническое решение предложил Л. М.
Браславский из Новосибирского электротехнического института еще в
1972 г., подав заявку на изобретение. Оно оказалось столь оригиналь-
ным и неочевидным для специалистов, что ВНИИГПЭ проводил экс-
пертизу по заявке целых шесть лет и только в 1978 г. выдал авторское
свидетельство. Позже были запатентованы и другие решения, позволя-
ющие реализовывать конденсаторные блоки питания.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В.
Максимальный средний выходной ток устройства должен быть 7 А. Эта
величина согласована с ограничением переменной составляющей на
уровне 20—30% от номинального напряжения для примененных оксид-
ных конденсаторов. Емкостью аккумуляторных батарей, которые могут
быть заряжены устройством — до 70 А-ч.
км
п
SA1 «Сеть»
SA2, «Ручн.»
R11
330
«Уст. порога
срабат.
концазарядки»
I
X
о
го
Рис. 3.6. Схема бестрансформаторного зарядного устройства
192 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Схема. Упрощенная схема бестрансформаторного зарядного устрой-
ства изображена на рис. 3.6. Оно позволяет реализовать «тренировку»
аккумуляторов — режим, при котором аккумулятор в течение одного
полупериода сетевого напряжения заряжается, а затем разряжается
меньшим током на балластный резистор.
Выпрямительный диод VD38, конденсатор С13 и стабилитроны VD39,
VD40 формируют напряжение питания узла управления, осуществля-
ющего синхронизацию работы коммутирующих транзисторов VT2 и
VT3 с полярностью напряжения сети и стабилизацию выходного тока.
Работает устройство следующим образом. При положительной
полуволне напряжения сети заряжаются блок конденсаторов С1—С12
и накопительный конденсатор питания С13. При отрицательной полу-
волне включается светодиод оптрона Ш, а его фототранзистор, откры-
ваясь, шунтирует эмиттерный переход транзистора VT1. Транзистор
VT1 закрывается и через резистор R5 подключает неинвертирующий
вход ОУ DA1 к выходу конденсаторного блока.
Сам же ОУ при этом переключается и открывает транзисторы VT3,
VT2 и светодиод оптрона U2. ОУ DA1 работает в компараторном режиме,
поэтому его выходной сигнал может принимать только два значения —
близкое к напряжению питания и к нулю. Если напряжение на его
инвертирующем входе больше, чем на неинвертирующем, выходное
напряжение будет близким к нулю, и транзистор VT3 окажется в закры-
том состоянии. В противном случае напряжение на выходе ОУ близко
к напряжению питания, транзистор VT3 открывается, а через резистор
R10 — транзистор VT2 и оптрон U2.
Входным сигналом для стабилизации выходного тока служит напряже-
ние на конденсаторном блоке. Таким образом, изменение напряжения на
конденсаторном блоке (его уменьшение) прямо пропорционально отдан-
ному в нагрузку заряду. Поэтому, стабилизируя отдаваемый конденсатор-
ным блоком заряд за время единичного цикла разрядки, устройство стаби-
лизирует выходной ток. Его значение регулируют резистором R7.
После закрывания транзистора VT1 напряжение с конденсаторного
блока поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1 и сравнивается с
образцовым, поступающим на инвертирующий вход с делителя R6—R8.
Когда напряжение на конденсаторном блоке становится меньше образцо-
вого, ОУ DA1 переключается в нулевое состояние и закрывает транзистор
VT3, а через него (и нагрузку устройства) — и фотодинистор оптрона U2.
Если по каким-либо причинам напряжение на конденсаторном блоке
не снизилось до образцового (т. е. в нагрузку не ушел заряд, определя-
емый положением движка резистора R7), а время, отведенное на раз-
рядку, закончилось, работа блока для предотвращения попадания сете-
вого напряжения на выход устройства организована так. Напряжение
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания 193
отрицательной полуволны сети снижается до выключения светодиода
оптрона Ш и, следовательно, закрыванию его фототранзистора.
Это приводит к открыванию транзистора VT1, шунтированию им
неинвертирующего входа и переключению компаратора DA1 и, как
следствие, закрыванию транзисторов VT3, VT2 еще до появления поло-
жительной полуволны сетевого напряжения. Таким образом, происхо-
дит принудительная синхронизация узла стабилизации тока с поляр-
ностью напряжения сети. Оптрон U2 необходим лишь как улучшающий
безопасность и во встраиваемых блоках питания может отсутствовать.
Примечание.
Зарядка аккумуляторной батареи длится сравнительно долго и
требует определенного контроля. Поэтому в устройстве предус-
мотрена возможность автоматического отключения заряжаемой
батареи при напряжении на ней 14,2-14,4 В.
Функцию порогового элемента отключения полностью заряженной
батареи выполняет электромагнитное реле К1 (РЭС10), срабатывающее
при напряжении около 10,5 В. Реле подключено к выходным зажимам
Х2 и ХЗ через проволочный подстроечный резистор R11. Этот резистор
вместе с конденсатором С14 образуют фильтр, подавляющий перемен-
ную составляющую пульсирующего зарядного напряжения, но пропу-
скающий медленно нарастающую постоянную составляющую напряже-
ния аккумуляторной батареи.
Поэтому при достижении порогового напряжения реле К1 сраба-
тывает и размыкающимися контактами К1.1 отключает питание кон-
денсаторного блока и системы управления. Сама же обмотка реле
остается под напряжением заряжаемой батареи и благодаря наличию
гистерезиса выключается при снижении напряжения до 11,8 В. После
чего происходит автоматическая подзарядка батареи аккумуляторов.
Включение/выключение режима автоматического окончания зарядки
осуществляют переключателем SA2.
Применение реле серии РЭС10 обусловлено его малым током потре-
бления и, следовательно, малым током разряда батареи в режиме пре-
кращения зарядки. Маломощные контакты используемого реле отра-
жают и особенности описываемого устройства, связанные с емкостным
характером нагрузки. Поэтому разрыв цепи питания конденсаторного
блока происходит без искрения.
Примечание.
Применение двух сетевых предохранителей (Fill, FU2) и двухсек-
ционного выключателя SA1 связано с повышенными требовани-
ями электробезопасности из-за отсутствия гальванической раз-
вязки устройства от сети.
194 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Элементная база и аналоги. В конденсаторном блоке возможно
применение любых оксидных конденсаторов, но желательно одного
типа. В случае использования импортных конденсаторов габариты
этого блока можно существенно уменьшить.
Диоды блока также могут быть любыми, рассчитанными на такой же
ток и обратное напряжение — подойдут даже диоды Д226Б и Д7Ж, но
при этом габариты блока и его масса существенно увеличатся.
Оптрон ТО325-12,5-4 заменим на ТО125-10 или ТО125-12,5 не ниже
4-го класса. Вместо КП706Б (VT3) возможно применение аналогичных оте-
чественных полевых транзисторов или импортного IGBT на такой же ток и
напряжение, причем желательно с минимальным сопротивлением канала.
При выборе электромагнитного реле (К1) необходимо учитывать
ел едущее:
♦ паспортное номинальное напряжение примерно в 1,5—1,7 раза
выше напряжения срабатывания;
♦ напряжение срабатывания может быть несколько различным
даже для реле из одной партии.
Возможно применение реле РЭС9, РЭС22, РЭС32 и иных, обладающих
достаточно малым потребляемым током, на напряжение срабатывания
в пределах 8—12 В. При этом, возможно, придется подобрать резистор
R11 и конденсатор С14 с целью эффективного подавления переменной
составляющей, предотвращения «дребезга» контактов реле и ложных
срабатываний.
Налаживание. Правильно собранное устройство начинает рабо-
тать сразу. Потребуется, в основном, лишь подборка резисторов R6 и R8
для корректировки диапазона регулировки тока зарядки. Для этого к
выходу блока надо подключить разряженную батарею аккумуляторов и
подборкой резисторов R6 и R8 установить по амперметру РА1 диапазон
регулирования зарядного тока резистором R7.
Если при начальном положении движка резистора R7 ток будет отли-
чен от нуля, то нужно уменьшить сопротивление резистора R8. Если же
ток зарядки становится равным нулю не в крайнем положении движка
R7, сопротивление этого резистора следует увеличить. Далее движок
резистора R7 устанавливается в конечное положение. Если теперь ток
зарядки окажется меньше максимального, сопротивление резистора R6
придется уменьшить, а если превышает — увеличить.
После этого, установив переключатель SA2 в положение «Ручной
режим», надо довести батарею до полной зарядки, контролируя напря-
жение на нем вольтметром постоянного тока. Затем следует отключить
устройство от сети, перевести тумблер SA2 в режим «Авт.», а движок
резистора R11 — в положение максимального сопротивления. Снова
подключив устройство к сети, уменьшением сопротивления резистора
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания 195
R11 добиваются четкого срабатывания реле К1 — устройство готово к
эксплуатации.
Внимание.
При налаживании и эксплуатации зарядного устройства необходимо
помнить об отсутствии гальванической развязки от сети. Следо-
вательно, подключать и отключать его от аккумуляторной бата-
реи можно только при отключенной от сети вилке шнура питания.
Подробное описание схемы приводится в [78].
Бестрансформаторный регулируесый стабилизированный
источник питания -220 В /16...26 В100 мА
(AC-DC Step-Down -220/16...26 V)
Назначение. Питание некоторых видов радиоэлектронной аппара-
туры, требующей плавного изменения напряжения питания.
Особенности. Этот источник питания позволяет в широких преде-
лах плавно изменять выходное напряжение. Его особенность заключа-
ется в использовании регулируемой отрицательной обратной связи
с выхода блока на транзисторный каскад VT1, включенный параллельно
выходу диодного моста. Этот каскад является параллельным регулиру-
ющим элементом и управляется сигналом с выхода однокаскадного
усилителя на VT2. Выходной сигнал VT2 зависит от разности напря-
жений, подаваемых с переменного резистора R7, включенного парал-
лельно выходу блока питания, и источника опорного напряжения на
диодах VD3,VD4.
Характеристики. Максимальная выходная мощность приведенного
устройства равна 2 Вт. Пределы регулировки выходного напряжения —
от 16 до 26 В, а при закороченном диоде VD4 пределы регулировки —
от 15 до 19,5 В. В этих диапазонах при отключении R9 (сброс нагрузки)
увеличение выходного напряжения не превышает одного процента.
Схема. Принципиальная схема бестрансформаторного источника
питания с регулируемым выходным напряжением представлена на
рис. 3.7.
По существу, схема представляет собой регулируемый параллель-
ный стабилизатор. Роль балластного резистора играет гасящий кон-
денсатор С1, роль параллельного управляемого элемента — транзистор
VT1. Работает этот источник питания следующим образом. При вклю-
чении в сеть транзисторы VT1 и VT2 заперты, через диод VD2 проис-
ходит заряд накопительного конденсатора С2. При достижении на базе
транзистора VT2 напряжения, равного опорному на диодах VD3, VD4,
транзисторы VT2, VT1 начинают отпираться.
196
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 3.7. Схема бестрансформаторного источника
питания с регулируемым выходным напряжением
Транзистор VT1 шунтирует выход диодного моста, и его выходное
напряжение начинает падать, что приводит к уменьшению напряжения
на накопительном конденсаторе С2 и к запиранию транзисторов VT2 и
VT1. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение шунтирования выхода
диодного моста, увеличение напряжения на С2 и отпирание VT2, VT1 и т. д.
За счет действующей таким образом отрицательной обратной связи
выходное напряжение остается постоянным (стабилизированным) при
включенной нагрузке R9 и без нее, на холостом ходу. Его величина зави-
сит от положения движка потенциометра R7.
Примечание.
Верхнему (по схеме) положению движка соответствует большее
выходное напряжение.
VT1 работает в переменном режиме:
♦ при работе на нагрузку R9 — в линейном режиме;
♦ на холостом ходу — в режиме широтно-импульсной модуляции
(ШИМ) с частотой пульсации напряжения на конденсаторе С2 —
100 Гц.
При этом импульсы напряжения на коллекторе транзистора VT1 имеют
пологие фронты. Линейный режим является облегченным, транзистор VT1
нагревается мало и может работать практически без радиатора.
Небольшой нагрев имеет место в нижнем положении движка потен-
циометра R7 при минимальном выходном напряжении. На холостом
ходу, с отключенной нагрузкой R9, тепловой режим транзистора VT1
ухудшается в верхнем положении движка R7.
Совет.
В этом случае транзистор VT1 рекомендуется установить на
небольшой радиатор, например, в виде алюминиевой пластинки
квадратной формы со стороной 3 см, толщиной 1-2 мм.
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания
197
Регулирующий транзистор VT1 — средней мощности, с большим
коэффициентом передачи (составной). Его коллекторный ток должен
быть в 2—3 раза больше максимального тока нагрузки. Коллекторное
напряжение VT1 должно быть не меньше максимального выходного
напряжения блока питания.
Элементная база и аналоги. В качестве VT1 могут быть использо-
ваны n-p-п транзисторы КТ972А, КТ829А, КТ827А и т. д. Транзистор VT2
работает в режиме малых токов, поэтому годится любой маломощный
р-п-р транзистор - КТ203А-В, КТ361А-Г, КТ313А/Б, КТ209А/Б.
Примечание.
По принципу приведенной схемы могут быть построены анало-
гичные блоки питания на другие требуемые значения мощности.
Подробное описание схемы приводится в [56].
Бестрансформаторные мощные источники питания с ШИМ
стабилизатором -220 В /11,6 В (AC-DC Step-Down -220/11,6 V)
Назначение. Питание некоторых видов радиоэлектронной аппаратуры.
Особенности. Данный бестрансформаторный конденсаторный
выпрямитель работает с автостабилизацией выходного напряжения во
всех возможных режимах работы (от холостого хода до номинальной
нагрузки). Это достигнуто за счет кардинального изменения принципа
формирования выходного напряжения — не за счет падения напряже-
ния от импульсов тока выпрямленных полуволн сетевого напряжения
на сопротивлении стабилитрона^ как в других подобных устройствах,
а за счет изменения времени подключения диодного моста к накопи-
тельному конденсатору.
Характеристики. Входное напряжение — 220 В 50 Гц. Выходное
стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом —
около 11В, напряжение пульсации — 0,3—0,4 В.
Схема №1. Принципиальная
схема стабилизированного кон-
денсаторного выпрямителя при-
ведена на рис. 3.8.
Параллельно выходу диодного
моста включен транзистор VT1,
работающий в ключевом режиме.
База ключевого транзистора VT1
через пороговый элемент (ста-
билитрон VD3) соединена с нако-
VD2 Д327Б
пительным конденсатором С2,
R1 51
Рис. 3.8. Схема стабилизированного
конденсаторного выпрямителя
с выпрямительным мостом
198 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для
исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение
на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает
известным образом.
При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1
также отрывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Вследствие
этого напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практиче-
ски до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и последую-
щему выключению стабилитрона и ключевого транзистора.
Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до
момента включения стабилитрона и транзистора и т. д. Процесс авто-
стабилизации выходного напряжения очень похож на функционирова-
ние импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным
регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования
импульсов равна частоте пульсации напряжения на С2.
Элементная база и аналоги. Ключевой транзистор VT1 для умень-
шения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления,
например, составной КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Увеличить выход-
ное напряжение выпрямителя можно, применив более высоковольт-
ный стабилитрон или два низковольтных, соединенных последова-
тельно. При двух стабилитронах Д814В и Д814Д, емкости конденсатора
С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом
может составлять 23—24 В.
Схема №2. По предложенной методике можно застабилизировать
выходное напряжение однополупериодного диодно-конденсаторного
выпрямителя, выполненного, например, по схеме, приведенной на
рис. 3.9.
Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно
диоду VD1 включен n-p-п транзистор КТ972А или КТ829А, управляемый
с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3. При достижении на кон-
денсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стаби-
литрона, транзистор VT1 тоже открывается.^ результате амплитуда поло-
жительной полуволны напряжения,
fcHj1>+ поступающего на С2 через диод VD2,
уменьшается почти до нуля.
При уменьшении же напряже-
ния на С2 транзистор VT1, благо-
даря стабилитрону, закрывается.
Это приводит к увеличению выход-
ного напряжения. Процесс сопро-
Рис. 3.9. Схема стабилизированного иппгпяртрсг шмпптнп ммпулкгимм
конденсаторного выпрямителя вождается широтно-импульсным
с выпрямительным диодом регулированием длительности
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания 199
импульсов на входе VD2, следовательно, напряжение на конденсаторе
С2 остается стабилизированным как на холостом ходу, так и под нагруз-
кой.
В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением парал-
лельно диоду VD1 нужно включить p-n-р транзистор КТ973А или КТ825А.
Примечание.
В обоих предложенных вариантах бестрансформаторного выпря-
мителя стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в
единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки
выпрямителя, с разбродом емкости гасящего конденсатора и коле-
баниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно
уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзи-
стору радиатор также не требуется.
Резисторы Rl, R2 в этих схемах ограничивают входной ток при пере-
ходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неиз-
бежного «дребезга» контактов сетевых вилки и розетки процесс вклю-
чения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов
цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может
зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т. е.
примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи
из-за «дребезга» это и сетевое напряжения могут сложиться и соста-
вить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо
учитывать для обеспечения надежной работы устройства.
Пример.
Конкретный пример: максимальный коллекторный ток транзистора
КТ972А равен 4 А. Поэтому суммарное сопротивление ограничитель-
ных резисторов должно составлять 600 В / 4 А = 150 0м. С целью
уменьшения потерь сопротивление резистора R1 можно выбрать
51 Ом, а резистора R2 - 100 Ом. Их мощность рассеяния - не
менее 0,5 Вт. Допустимый коллекторный ток транзистора КТ827А
составляет 20 А, поэтому для него резистор R2 необязателен.
Подробное описание схем приводится в [56].
Бестрансформаторные источники питания с симметричным
динистором -220 В /9 В 60 мА (AC-DC Step-Down -220/9 V)
Назначение. Питание некоторых видов радиоэлектронной аппаратуры.
Особенности. Весьма интересным схемным решением является
использование симметричного динистора для стабилизации напряжения
бестрансформаторного источника питания с гасящим конденсатором.
200
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
R2 36
Рис. 3.10. Первый вариант схемы
бестрансформаторного источника
питания
VS2
КР1125КПЗА
VS1
КР1125КПЗА
а1
VS2
VD1
КД105Б
КУ202А,
б
Рис. 3.12. Схема «умощнения»
Рис. 3.11. Второй вариант схемы
бестрансформаторного источника
питания
Преимущества источников
питания с динистором — меньшая
рассеиваемая мощность и большая
стабильность выходного напря-
жения. Недостаток — ограничен-
ный выбор выходных напряже-
ний, определяемый напряжениями
включения динисторов.
динистора симистором (а) или
тринистором (б)
Схема. Принципиальные схемы бестрансформаторных источников
питания приведены на рис. 3.10 и рис. 3.11.
При зарядке конденсатора фильтра С2 до напряжения включения
динистора VS1 (с точностью до падения напряжения на выпрямитель-
ном мосте) он включается и шунтирует вход диодного моста. Нагрузка
получает питание от конденсатора С2. В начале следующего полупе-
риода С2 вновь подзаряжается до того же напряжения, процесс повто-
ряется.
в
Примечание.
Начальное напряжение разрядки конденсатора С2 не зависит от
тока нагрузки и напряжения сети, поэтому стабильность выход-
ного напряжения блока очень высокая.
Падение напряжения на динисторе во включенном состоянии неве-
лико, рассеиваемая мощность, а, значит, и нагрев, значительно меньше,
чем при установке стабилитрона. Максимальный постоянный или пуль-
сирующий ток через динистор определяется рассеиваемой им мощно-
стью и составляет около 60 мА.
Если для получения необходимого выходного тока этого значения
недостаточно, можно «умощнить» динистор симистором или тринисто-
ром (рис. 3.12).
Описание схемы приводится по [129].
Глава 3. Схемотехника бестрансформаторных источников питания
201
Бестрансформаторный высоковольтный преобразователь
-220 В /1500 В 60 мА (AC-DC Step-Up -220/1500 V)
Электрическая часть ловушки для тараканов (рис. 3.13) пред-
ставляет собой умножитель напряжения сети с 220 В до 1,5 кВ. Сама
ловушка представляет собой прямоугольный ящик с верхней крышкой.
Выпрямленное напряжение 1,5 кВ подается на непересекающиеся коль-
цевые печатные проводники, которые располагаются внутри коробки.
В центре крышки имеется отверстие.
Внутрь ловушки помещается Приманка (например, хлеб, смоченный
пивом) и ставится в места скопления насекомых. Прибор включается в
сеть. Несмотря на незамысловатость конструкции, эффект от ловушки
просто потрясающий!
Внимание.
Электробезопасность конструкции для человека обеспечивается
размещением токонесущих проводников в закрытой коробке и
тщательной изоляции внешних элементов конструкции.
Элементная база. В устройстве можно применять любые диоды на
напряжение более 400 В.
Подробное описание схемы приводится в [161].
С1...С6 " VD1...VD6
1000x400 В КД226Е
непересекающиеся
проводники
Рис. 3.13. Высоковольтный преобразователь - электронная ловушка для тараканов:
а - принципиальная схема; б - плата
ГЛАВА 4
СХЕМОТЕХНИКА
ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
4.1. Принцип действия
импульсных источников питания
Достоинства и недостатки
Преобразователи переменного напряжения в стабилизированное
постоянное традиционно называют импульсными источниками пита-
ния. Они быстро идут на смену линейным источникам питания благо-
даря своей высокой производительности, улучшенной стабилизации
напряжения и малым габаритам. Но большинство схем импульсных
источников питания сложны в сборке и настройке, поэтому доступны
для повторения продвинутыми радиолюбителями.
Импульсные источники питания в настоящее время получили рас-
пространение не меньше, чем линейные стабилизаторы напряжения.
Их основными достоинствами являются:
♦ высокий коэффициент полезного действия;
♦ малые габариты и масса;
♦ высокая удельная мощность.
Это стало возможным благодаря применению ключевого режима
работы силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка
большую часть времени находится в области насыщения или области
отсечки ВАХ, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой
скоростью за очень малое время переключения.
В состоянии насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю,
а в режиме отсечки отсутствует ток. Благодаря этому потери в транзи-
сторе оказываются достаточно малыми. Поэтому средняя за период
коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказы-
вается намного меньшей, чем в линейных регуляторах.
D
Примечание.
Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или пол-
ному исключению радиаторов.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
203
Улучшение массогабаритных характеристик источников пита-
ния обусловлено, прежде всего, тем, что из схемы источника питания
исключается силовой трансформатор, работающей на частоте 50 Гц.
Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или
дроссель, габариты и масса которого намного меньше низкочастотного
силового трансформатора.
К недостаткам импульсных источников электропитания относятся:
♦ сложность схемы;
♦ наличие высокочастотных шумов и помех;
♦ увеличение пульсаций выходного напряжения;
♦ большое время выхода на рабочий режим.
Сравнительные характеристики линейных источников питания
(т. е. с низкочастотным силовым трансформатором) и импульсных
источников питания приведены в табл. 4.1.
Сравнение линейных и импульсных источников питания
Характеристика
кпд,%
Удельная мощность, Вт/дм
Время удержания выходного напряжения, мс
Нестабильность по напряжению, %
Нестабильность по току, %
Напряжение пульсаций, мВ
Время нарастания переходной характеристики, мкс
Линейный ИП
30-50
30-40
2-3
0,01-0,1
0,02-0,1
2-5
20-50
Таблица 4.1
Импульсный ИП
70-80
140-200
20-30
0,05-0,1
0,1-0,5
20-50
100-500
Выводы из табл. 4.1.
Вывод 1. КПД импульсных источников питания увеличивается по
сравнению с линейными в отношении 1:2, а удельная мощность — в
отношении 1:4.
Вывод 2. При повышении частоты преобразования с 20 кГц до
200 кГц удельная мощность возрастает в соотношении 1:8, т. е. почти в
два раза.
Вывод 3. Импульсные источники питания имеют также большее
время удержания выходного напряжения при внезапном отключении
сети. Это обусловлено тем, что в сетевом выпрямителе импульсного
источника используются конденсаторы большой емкости и с высоким
рабочим напряжением (до 400 В). При этом размеры конденсаторы
растут пропорционально произведению CU, а энергия конденсатора
пропорционально CU. Этой энергии конденсатора достаточно для под-
держания в рабочем состоянии источника питания в течение примерно
30 мс, что очень важно для сохранения информации в компьютерах при
внезапном отключении питания.
204 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Вывод 4. Пульсации выходного напряжения в импульсных источ-
никах питания больше, чем у линейных. Это обусловлено сложностью
подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразова-
теля. Другие характеристики у этих источников практически совпадают.
Структурные схемы импульсных источников питания
На рис. 4.1 представлена структурная схема нерегулируемого
импульсного источника питания с напряжением первичной сети
220 В, 50 Гц.
Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи
данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся
в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает
их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стаби-
лизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен по
сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального
узла. Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполне-
ния источника может быть дополнена еще одним фильтром, который
устанавливается между стабилизатором и нагрузкой.
Основными узлами первичной цепи являются:
♦ входной фильтр;
♦ выпрямитель сетевого напряжения;
♦ ВЧ преобразователь выпрямленного питающего напряжения с
трансформатором.
Входной фильтр. Необходимость использования входного фильтра
обусловлена такими факторами:
♦ во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковре-
менные скачки питающего напряжения и импульсные помехи,
вызванные работой расположенных поблизости импульсных
устройств (ВЧ помехи) или возникающие в момент подключе-
ния или отключения от сети смежных нагрузок;
♦ во-вторых, фильтр должен эффективно устранять помехи, проника-
ющие в сеть непосредственно от используемого источника питания.
ВЧ трансформаторы, применяемые в импульсном источнике пита-
ния, являются преобразователями импульсных колебаний с полосой
частот до нескольких (если не выше) мегагерц. Передача энергии транс-
форматором имеет двухсторонний характер.
Примечание.
В направлении сеть -> нагрузка происходит передача колеба-
ний ВЧ преобразователя. В обратном же направлении, то есть
нагрузка -> преобразователь -> сеть, могут передаваться помехи,
возникающие при работе нагрузочных цепей.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
205
Причем, как правило, в направлении сеть -> нагрузка трансформа-
тор действует как понижающий, и, следовательно, в обратном
направлении он работает как повышающий.
Если входной фильтр не установлен, то помехи, возникающие
непосредственно в устройстве, будут эффективно транслироваться в
сеть с частью информационной составляющей. Таким образом, входной
фильтр применяется не только для устранения паразитного эффекта
обратной трансформации, но и для защиты от утечки информации.
Каскад ВЧ преобразователя. В импульсном источнике питания
(рис. 4.1) используется каскад ВЧ преобразователя автогенератор-
ного типа, режим автоколебаний которого определяется только значе-
нием номиналов его собственных элементов и не регулируется.
-220 В
Входной
фильтр
Сетевой
выпрямитель
и фильтр
ВЧ
преобразо-
ватель
Выпрямитель
и фильтр
Стабилизатор
Нагрузка
Рис.4.1. Структурная схема нерегулируемого импульсного источника питания
Рассматриваемый источник питания может дополнительно вклю-
чать в себя датчик перегрузки, который воздействует:
♦ либо на стабилизатор;
♦ либо на ВЧ преобразователь, блокируя его работу до момента
устранения причины неисправности.
При правильном подборе элементной базы источник (рис. 4.1) прост
в реализации, но из-за сравнительно низкого КПД такие источники
используются редко. Падение КПД будет происходить при увеличении
числа вторичных каналов различных напряжений, так как для каждого
из них потребуется отдельный стабилизатор напряжения.
Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая
чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом
ИБП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ
колебаний и нестабильности работы источника питания подобного
рода.
Структурная схема регулируемого источника питания, постро-
енного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного
напряжения, представлена на рис. 4.2. Схема осуществляет две функ-
ции — преобразование и стабилизацию напряжения.
206
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Задающий
генератор
-220 В
Входной
фильтр
Сетевой
выпрямитель
и фильтр
Схема
управления
|
ВЧ
усилитель
мощности
Выпрямитель
и фильтр
Измери-
тельная цепь
i
Нагрузка
Рис. 4.2. Структурная схема регулируемого импульсного источника питания
с одноканальной системой питания
Принципиальные отличия структурной схемы регулируемого
импульсного источника питания (рис. 4.2) от схемы нерегулируемого
ИП:
♦ отсутствует стабилизатор вторичного напряжения;
♦ добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема
управления;
♦ изменены функции каскада ВЧ преобразователя.
Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний,
поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ транс-
форматор. Здесь ВЧ преобразователем можно назвать совокупность
следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ усили-
тель мощности, ВЧ трансформатор (TV).
Схема управления включает в себя широтно-импульсный модуля-
тор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение
схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение
длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление
энергии во вторичную цепь.
Исходные параметры для работы схемы управления — это сигналы
ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится
сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутству-
ющим в данный момент на нагрузке. По сигналу ошибки схема управ-
ления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее
увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения
реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему
управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и
короткого замыкания.
Наличие ШИМ передаваемого напряжения предъявляет определен-
ные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра
выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом дан-
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 207
ного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности
в каждом канале вторичного напряжения.
На схеме, показанной на рис. 4.2, представлена структура однока-
нальной системы питания, реальные же источники имеют, как пра-
вило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способ-
ностью.
4.2. Лучшие конструкции
импульсных источников питания
Импульсный источник питания -220 В /=5 В 6 000 мА
(AC-DC Step-Down ~220/=5 V)
Назначение. Предназначен для питания электронных устройств
постоянным напряжением 5 В от сети переменного тока.
Особенности. Преобразователь не содержит дефицитных и дорогих
элементов, прост в изготовлении и налаживании. Источник питания
снабжен защитой от бросков выходного напряжения и от перегрузки по
току с автоматическим возвратом в рабочий режим после ее устранения.
Характеристики. Входное напряжение — 150—240 В. Частота вход-
ного напряжения — 50—60 Гц. Частота преобразования — 100 кГц.
Выходное напряжение — 5 В. Амплитуда пульсаций выходного напря-
жения — не более 50 мВ. Ток нагрузки — до 6 А. Температура окружаю-
щей среды от -10 до +50°С. Габариты — 60*95*30 мм.
Схема. На рис. 1.6 показана схема импульсного источника питания.
Узел управления реализует широтно-импульсный принцип стабили-
зации выходного напряжения. На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен
задающий генератор, работающий на частоте около 100 кГц при скваж-
ности, близкой к двум. Импульсы длительностью около 5 мкс через кон-
денсатор СП поступают на вход элемента DD1.3, а затем усиливаются
по току включенными параллельно элементами DD1.4—DD1.6.
Чтобы стабилизировать выходное напряжение источника пита-
ния, длительность импульса во время регулирования уменьшается.
«Укорачивает» импульсы транзистор VT1. Открываясь каждый период
работы генератора, он принудительно устанавливает на входе элемента
DD1.3 низкий уровень. Это состояние удерживается до конца очеред-
ного периода разряженным конденсатором СП.
На транзисторах VT2, VT3 выполнен мощный усилитель тока, обе-
спечивающий форсированное переключение коммутирующего транзи-
стора VT4. Диаграммы напряжения на основных элементах источника
208
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
I
ё
I
1
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
209
" 1ТТПГПТП
I I T I I ii ii ii и
lcVT4 i i И 1 И III II II II
И—I И III II II II
i i i i i i ii ii и
ШТГПГП
I tM I tn > I 'I II I I N
««•y« у 111 ii ii и
ХТРГГЕТРПГ
UCVT4
Uc8
Рис. 4.4. Диаграммы напряжения
на основных элементах источника питания
во время его запуска
питания во время его запу-
ска показаны на рис. 4.4.
Когда транзистор
VT4 открыт, ток, про-
текающий через него и
обмотку I трансформа-
тора Т1, линейно нарас-
тает. Импульсное напря-
жение с датчика тока R11
через резистор R7 подается
на базу транзистора VT1.
Чтобы исключить ложное
открывание транзистора,
выбросы тока сглаживает
конденсатор С12.
Первые после запуска
несколько периодов мгно-
венное напряжение на базе транзистора VT1 остается меньше напря-
жения открывания. Как только мгновенное напряжение во время оче-
редного периода достигнет порога 0,7 В, транзистор VT1 откроется, что,
в свою очередь, приведет к закрыванию коммутирующего транзистора
VT4. Таким образом, ток в обмотке I, а, значит, и в нагрузке не может
превышать некоторого значения, заранее определенного сопротивле-
нием резистора R11.
Примечание.
Этим обеспечивается защита источника питания от перегрузки
по току.
Фазировка обмоток трансформатора Т1 установлена такой, что
во время открытого состояния транзистора VT4 диоды VD7 и VD9
закрыты обратным напряжением. Когда коммутирующий транзистор
закроется, напряжение на всех обмотках меняет знак и увеличивается
до тех пор, пока эти диоды не откроются. Тогда энергия, накопленная
во время импульса в магнитном поле трансформатора Т1, направля-
ется на зарядку конденсаторов выходного фильтра С15—С17 и кон-
денсатора С9.
Примечание.
Фазировка обмоток II и III совпадает. Поэтому напряжение на
конденсаторе С9 в режиме стабилизации выходного напряжения
также стабилизировано независимо от значения входного напря-
жения источника питания.
210 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Регулирующим элементом источника питания является микро-
схема DA2 КР142ЕН19А. Когда напряжение на управляющем выводе
1 микросхемы достигнет 2,5 В, через нее и через излучающий диод
оптрона начинает протекать ток, увеличивающийся с ростом выход-
ного напряжения. Фототранзистор оптрона открывается, и ток, проте-
кающий через резисторы R5, R7 и R11, создает на них падение напряже-
ния, также увеличивающееся с ростом выходного напряжения.
Мгновенное напряжение на базе транзистора VT1, равное сумме
падения напряжения на резисторе R7 и датчике тока R11, не может пре-
вышать 0,7 В. Поэтому при увеличении тока фототранзистора оптрона
увеличивается постоянное напряжение на резисторе R7 и уменьшается
амплитуда импульсной составляющей на резисторе R11, что, в свою
очередь, происходит только из-за уменьшения длительности открытого
состояния коммутирующего транзистора VT4. Если же длительность
импульса уменьшается, то сокращается и «порция» энергии, перекачи-
ваемая каждый период трансформатором Т1 в нагрузку.
Таким образом, если выходное цапряжение источника питания
меньше номинального значения, например, во время его запуска, дли-
тельность импульса и энергия, передаваемая на выход, максимальны.
Когда выходное напряжение достигнет номинального уровня, появится
сигнал обратной связи, вследствие чего длительность импульса умень-
шится до значения, при котором выходное напряжение стабилизируется.
Если по каким-либо причинам выходное напряжение увеличивается,
например, при резком уменьшении тока нагрузки:
♦ сигнал обратной связи также увеличивается;
♦ длительность импульса уменьшается, вплоть до нуля;
♦ выходное напряжение источника питания возвращается к но-
минальному значению.
На микросхеме DA1 выполнен узел запуска преобразователя. Его
назначение — блокировать работу узла управления, если напряжение
питания меньше 7,3 В. Это обстоятельство связано с тем, что комму-
татор — полевой транзистор IRFBE20 — не полностью открывается при
напряжении на затворе менее 7 В.
Узел запуска работает следующим образом. При включении источ-
ника питания конденсатор С9 начинает заряжаться через резистор R8.
Пока напряжение на конденсаторе составляет единицы вольт, на выходе
(вывод 3) микросхемы DA1 удерживается низкий уровень, и работа узла
управления заблокирована. В этот момент микросхема DA1 по выводу
1 потребляет ток 0,2 мА и падение напряжения на резисторе R1 состав-
ляет около 3 В. Примерно через 0,15—0,25 с напряжение на конденса-
торе достигнет 10 В, при котором напряжение на выводе 1 микросхемы
DA1 равно пороговому значению (7,3 В). На ее выходе появляется высо-
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 211
кий уровень, разрешающий работу задающего генератора и узла управ-
ления. Начинается запуск преобразователя. В это время узел управле-
ния питается энергией, запасенной в конденсаторе С9. Напряжение
на выходе преобразователя начнет увеличиваться, а значит, оно будет
увеличиваться и на обмотке II во время паузы. Когда оно станет больше
напряжения на конденсаторе С9, диод VD7 откроется и конденсатор в
дальнейшем будет каждый период подзаряжаться от вспомогательной
обмотки II. Здесь, однако, следует обратить внимание на важную осо-
бенность источника питания.
Ток зарядки конденсатора через резистор R8, в зависимости от вход-
ного напряжения источника питания, составляет 1—1,5 мА, а потребле-
ние узла управления во время работы —10—12 мА. Это означает, что
во время запуска конденсатор С9 разряжается. Если его напряжение
уменьшится до порогового уровня микросхемы DA1, узел управления
выключится, а поскольку в выключенном состоянии он потребляет не
более 0,3 мА, напряжение на конденсаторе С9 будет увеличиваться до
повторного включения.
Такое происходит в двух случаях:
♦ либо при перегрузке;
♦ либо при большой емкостной нагрузке, когда напряжение на
выходе не успевает за пусковое время 20—30 мс увеличиться до
номинального значения.
В этом случае необходимо увеличить емкость конденсатора С9.
Между прочим, указанная особенность работы узла управления позво-
ляет источнику питания находился в режиме перегрузки неограниченно
долго, поскольку он в этом случае работает в пульсирующем режиме,
причем время работы (запуск) в 8—10 раз меньше времени нерабочего
состояния. Коммутирующие элементы при этом даже не нагреваются.
Еще одна особенность источника питания — защита нагрузки от
превышения напряжения, которое происходит, например, при отказе
какого-либо элемента в цепи обратной связи. В рабочем режиме напря-
жение на конденсаторе С9 — примерно 10 В и стабилитрон VD1 закрыт.
В случае обрыва в цепи обратной связи выходное напряжение увели-
чивается сверх номинального значения. Но вместе с ним увеличивается
напряжение на конденсаторе С9 и при значении около 13 В стабили-
трон VD1 открывается. Процесс длится 50—500 мс, в течение которых
ток через стабилитрон плавно нарастает, многократно превышая его
максимальное значение. При этом кристалл элемента нагревается и
расплавляется — стабилитрон практически превращается в перемычку
с сопротивлением от единиц до нескольких десятков ом.
Напряжение на конденсаторе С9 уменьшается до значений, недо-
статочных для включения узла управления. Выходное же напряжение,
212 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
получив в зависимости от тока нагрузки приращение в 1,3—1,8 раза,
уменьшается до нуля. На элементах L2, С19 выполнен дополнительный
фильтр, уменьшающий амплитуду пульсаций выходного напряжения.
Чтобы уменьшить проникновение высокочастотных помех в сеть, на
входе установлен фильтр С1—СЗ, L1, С4—С7, который к тому же сглажи-
вает потребляемый во время работы импульсный ток с частотой 100 Гц.
Терморезистор RK1 (ТР10) имеет относительно высокое сопротивление
в холодном состоянии, что ограничивает пусковой ток преобразователя
при включении и защищает диоды выпрямителя.
Во время работы терморезистор нагревается, сопротивление его
уменьшается в несколько раз и на КПД источника питания практиче-
ски не влияет. При закрывании транзистора VT4 на обмотке I транс-
форматора Т1 возникает импульс напряжения, амплитуда которого
определяется индуктивностью рассеяния. Чтобы ее уменьшить, в пре-
образователе установлена цепь VD8, R9, С14. Она устраняет опасность
пробоя коммутирующего транзистора^ снижает требования по макси-
мальному напряжению на его стоке, что повышает надежность преоб-
разователя в целом.
Элементная база. Источник питания выполнен, в основном, на
стандартных отечественных и импортных элементах, за исключением
моточных изделий. Дроссели L1 и L2 намотаны на кольцах К10*6х4,5 из
пермаллоя МП140. Магнитопроводы сначала изолируют одним слоем
лакоткани. Каждую обмотку наматывают проводом ПЭТВ-0,35 виток к
витку в два слоя на своей половине кольца, причем между обмотками
дросселя L1 должен оставаться зазор не менее 1 мм. Обмотки дросселя
L1 содержат по 26 витков, а дросселя L2 — по семь витков, но в восемь
проводников каждая. Намотанные дроссели пропитывают клеем БФ-2
и сушат при температуре около 60°С.
Моточные элементы. Трансформатор — главная и самая ответ-
ственная деталь источника питания. От качества его изготовления зави-
сит надежность и устойчивость работы преобразователя, его динамиче-
ские характеристики и работа в режиме холостого хода и перегрузки.
Трансформатор выполнен на кольце К17* 10><6,5 из пермаллоя МП140.
Перед намоткой магнитопровод изолируют двумя слоями лакоткани.
Провод укладывают плотно, но без натяга. Каждый слой обмотки про-
мазывают клеем БФ-2, а потом обматывают лакотканью.
Первой наматывают обмотку I. Она содержит 228 витков провода
ПЭТВ-0,2—0,25, намотанных виток к витку в два слоя, между кото-
рыми проложен один слой лакоткани. Обмотку изолируют двумя сло-
ями лакоткани. Следующей наматывают обмотку III. Она содержит
семь витков провода ПЭТВ-0,5 в шесть проводников, распределенных
равномерно по периметру кольца. Поверх нее укладывают один слой
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 213
лакоткани. И, наконец, последней наматывают обмотку И, содержащую
13 витков провода ПЭТВ-0,15—0,2 в два проводника. Ее равномерно
укладывают по периметру кольца с некоторым натягом для плотного
прилегания к обмотке III. После этого готовый трансформатор обма-
тывают двумя слоями лакоткани, промазывают снаружи клеем БФ-2 и
просушивают при температуре 60°С.
Аналоги. Вместо транзистора VT4 можно применить другой с
допустимым напряжением на стоке не менее 800 В и максимальным
током 3—5 А, например, BUZ80A, КП786А, а вместо диода VD8 — любой
быстродействующий диод с допустимым обратным напряжением не
менее 800 В и током 1—3 А, например, FR106.
Теплоотвод транзистора соединяют с общей точкой конденсаторов
С1 и С2. В этом случае источник питания лучше подключать к трех-
контактной розетке с заземлением. Указанные меры позволяют зна-
чительно уменьшить излучаемые преобразователем помехи. Если все
элементы источника питания исправны, правильно изготовлены и сое-
динены в соответствии со схемой, в налаживании он не сложен.
Внимание.
Во время налаживания и работы с преобразователем помните,
что его элементы находятся под высоким напряжением, опасным
для жизни. Будьте внимательны и осторожны!
Подробная методика изготовления и наладки приводится в [84].
Импульсный источник питания ~220 В /=5 В100 мА
(AC-DC Step-Down ~220/=5 V)
Назначение. Для питания от сети малогабаритных радиоэлектрон-
ных устройств (карманных радиоприемников, диктофонов, часов и т. д.).
Особенности. Выходное напряжение может быть выбрано в преде-
лах от 5 до 12 В. Одно из достоинств блока — малые габариты: все его
детали размещены в корпусе сетевой вилки.
Характеристики. Напряжение сети частотой 50—500 Гц составляет
100—250 В. Выходное напряжение (зависит от примененного инте-
грального стабилизатора) — 5—12 В. Номинальный ток нагрузки (при
выходном напряжении 5 В) — 20 мА. Максимальный (при том же напря-
жении) — 100 мА. Уровень пульсаций (при номинальном токе) — не
более 1%.
Схема. Принципиальная схема блока показана на рис. 4.5. Работает
он следующим образом: выпрямленное диодным мостом VD1 сетевое
напряжение через делитель Rl, R3, R4 подается на базу транзистора
VT2, а через резистор R2 — на базу составного транзистора VT4, VT5.
214
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
VT2 VT4, VT5
КТ3130А КТ940А
R9 100 к
R8 470
Рис. 4.5. Схема миниатюрного иалрчника питания 5-12 В
В течение каждого полупериода, пока напряжение в точке соединения
коллекторов VT1, VT3 относительно эмиттера VT2 не превышает 100 В,
он закрыт, VT4, VT5 открыты и конденсатор С1 заряжается через рези-
сторы Rl, R10 и участок эмиттер-коллектор транзистора VT5.
Когда же напряжение в указанной точке выше 100 В, VT2 открывается
и шунтирует эмиттерный переход составного транзистора. Конденсатор
С1 разряжается, питая автогенератор на транзисторах VT1, VT3. Частота
колебаний автогенератора — примерно 60 кГц. С вторичной обмотки
трансформатора Т1 снимается напряжение около 7 В. Оно выпрямля-
ется диодами VD2, VD3, сглаживается конденсатором С2 и стабилизи-
руется интегральным стабилизатором DA1. Конденсатор СЗ снижает
уровень высокочастотных пульсаций.
Максимальные напряжения коллектор-эмиттер транзисторов VT1,
VT3 в установившемся режиме не превышают 200 В, VT4 и VT5 — 210 В.
Максимальный ток транзистора VT5 при указанных на схеме номина-
лах элементов и статическом коэффициенте передачи тока базы h тран-
зисторов VT4, VT5, равном 25, не превышает 300 мА. В момент вклю-
чения напряжение коллектор-эмиттер транзисторов VT4 и VT5 может
превысить 300 В, а ток коллектора VT5 — 0,5 А, что приведет к их выходу
из строя. Для ограничения тока коллектора VT5 в этот момент (при
использовании транзисторов VT4 и VT5 с большим коэффициентом h)
служат резистор R10 и стабилитрон VD4.
Совет.
Чтобы ограничить напряжение коллектор-эмиттер составного
транзистора, между коллектором и эмиттером VT5 желательно
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
215
включить варистор на напряжение около 250 В. При использова-
нии блока для питания маломощной нагрузки (с потребляемым
током не более 5-10 мА) сопротивление резисторов R6 и R7
целесообразно увеличить до 470 Ом, а емкость конденсатора С1
уменьшить до 2,2-4,7мкФ (в этом случае блок будет меньше
нагреваться и надежность его работы повысится).
Элементная база и аналоги. Кроме КТ3130А (VT2), в устройстве
можно применить любой транзистор этой серии, а также серии КТ3102
или зарубежного производства с близкими характеристиками (например,
BCW60D). Транзисторы КТ940А заменимы на КТ969А, BF469/PLP (VT1, VT3)
или КТ969А, BF459 (VT4, VT5). Конденсаторы Cl, C2 - импортные, воз-
можно применение К50-35, СЗ — К10-17. Диоды VD2, VD3 — любые мало-
габаритные кремниевые с допустимым прямым током не менее 100 мА,
обратным напряжением не менее 20 В и рабочей частотой не менее
150 кГц. Резисторы Rl— R3 — С1-4 или другие с рабочим напряжением не
менее 350 В, остальные - С2-33, С2-23, МЛТ, ОМЛТ или им подобные.
Трансформатор Т1 намотан на двух сложенных вместе феррито-
вых (2000НМ) кольцах типоразмера K10*8x3. Обмотки 1-2 и 4-5 содер-
жат по 8 витков провода ПЭВ-1-0,1, обмотки 2-3 и 3-4 — по 200 витков
такого же провода, обмотки 6-7 и 7-8 — по 14,22 или 28 витков провода
ПЭВ-1-0,17 (соответственно, для выходных напряжений 5 В, 9 В или
12 В). Для межобмоточной и наружной изоляции рекомендуется
использовать фторопластовую пленку или пленку ПЭТ.
D
Примечание.
В авторском варианте (автор - Д. Рубцов) источник питания
смонтирован в стандартной сетевой вилке диаметром 40 и
высотой 27 мм.
Наладка. Собранный из исправных деталей и без ошибок в монтаже
блок не требует налаживания.
Печатная плата. Вид печатной платы представлен на рис. 4.6.
oo ■
>*Г?1 v 1
^i^ оЪо о о
Л-Joo
^Sjn ., .fl
^J L
pV
VD2
034
i
Я
R1
R10
R8
Puc. 4.6. Вид печатной платы
216 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Монтаж конструкции. Плата изготовлена из двухстороннего фоль-
гированного стеклотекстолита толщиной 0,5 мм. Расстояние между
центрами отверстий в плате под штыри сетевой вилки — 19 мм.
Все резисторы, кроме R2 и R3, устанавливают перпендикулярно
плате. Стабилитрон VD4 припаивают к печатным проводникам со
стороны монтажа транзистора VT2. К контактным площадкам, обо-
значенным буквами «а» и «б», припаивают провода, идущие от шты-
рей сетевой вилки, а к площадкам с цифрами 1—8 — выводы обмоток
трансформатора Т1. Размещают его над конденсатором СЗ в свободном
пространстве между транзисторами VT1, VT3 и конденсатором С2.
Подробное описание схемы приводится в [121].
Импульсный источник питания -220 В /=9 В 3 000 мА
(AC-DC Step-Down ~220/=9 V)
Назначение. Предназначен для питания от сети 220 В 50 Гц устройств
с потребляемым током до 3 А при выходном напряжении 9,2 В.
Особенности. Предложенный преобразователь отличается от ана-
логичных стабилизаторов простотой и наличием защиты источника
питания от перегрузки по выходной цепи в случае короткого замыка-
ния. Для получения из выходного напряжения 9,2 В других напряже-
ний, например, 5 В или 6 В можно использовать любую типовую схему
линейного стабилизатора).
Используя данную схему, можн о получить и другие напряжения
во вторичной цепи, для чего необходимо изменить пропорционально
число витков во вторичных обмотках II и III трансформатора ТЗ.
Характеристики. Входное напряжение — 220 В 50 Гц. Выходное
напряжение — 9,2 В. Максимальный ток нагрузки — 3 А.
Схема. Электрическая схема устройства представлена на рис. 4.7.
Импульсный сетевой источник питания состоит из таких узлов:
♦ входного фильтра (элементы С1, С2; СЗ и Т1);
♦ цепи запуска (R2, R3, R4, С4, VT1);
♦ автогенератора (VT2, VT3, Т2, ТЗ, С5—С9);
♦ выпрямителя пониженного напряжения (VD5, VD6, СЮ—С13).
Преобразователь собран по распространенной полумостовой
схеме. Входной фильтр преобразователя обеспечивает ослабление
помех, начиная с частоты 15 кГц более чем в 2 раза. В цепи запуска
используется транзистор VT1 в режиме обратимого пробоя, что позво-
ляет формировать короткие импульсы, которые необходимы в момент
включения схемы для запуска работы ключевого каскада VT2, VT3
в режиме автогенератора на частоте 30—60 кГц. При этом рабочую
частоту, в небольших пределах, можно изменять емкостью С5.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
217
СЮцЮО
+9 В
xir
С12ТС13
1 мк 147 мк
J20B
Общ.
VD5, VD6
КД2997В
Рис4.7. Схема импульсного сетевого источника питания 9 В ЗА
В случае замыкания в цепи вторичной обмотки трансформатора ТЗ
обратная связь в автогенераторе нарушается, и генерация срывается
до момента устранения неисправности. КПД преобразователя при токе
нагрузки 2 А составляет 0,74 (при токе нагрузки 4 А уменьшается до 0,63).
Моточные элементы. Дроссель Т1 намотан на двух склеенных вме-
сте кольцевых сердечниках типоразмера К20*12*6 из феррита марки
2000НМ. Обмотки I и II содержат по 45 витков провода ПЭВ-2 диаме-
тром 0,25 мм.
Трансформатор Т2 выполнен на двух склеенных вместе кольце-
вых сердечниках типоразмера K10*6*3 из феррита 2000НМ. Обмотка I
содержит 60 витков, обмотки II ц III — по 15 витков провода ПЭЛШО-
0,15 (отвод в обмотке II для обратйой связи по току от третьего витка).
Для изготовления ТЗ применен кольцевой сердечник К28*16><9
(2000НМ). Обмотка I наматывается 250 витками проводом ПЭВ-2-0,25,
обмотки II и III — 22 витками проводом ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм. При
изготовлении трансформаторов перед намоткой провода необходимо
закруглить надфилем острые края сердечников и обернуть их лакотка-
нью. Намотку следует проводить виток к витку с последующей изоля-
цией каждого слоя (лучше использовать фторопластовую ленту толщи-
ной 0,1 мм).
Элементная база и аналоги. В устройстве могут быть использо-
ваны резисторы любого типа, конденсаторы С1 типа К73-17 на 630 В;
С2, СЗ типа К73-9 или К73-17 на 250 В; С4, С5 типа К10-7; С6, С7 типа
К5О-35 на 250 В; С8, С9 типа К73-9 на 250 В; СЮ—С12 типа К10-17; С13
типа К52-1В на 20 В. Транзистор VT1 можно заменить на КТ312А, Б, В,
транзисторы VT2 и VT3 на КТ838А, КТ846В.
Применяемые диоды VD1—VD4 могут быть заменены на любые
высоковольтные, замена диодов VD5 и VD6, кроме как на КД2998В,
218
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 4.8. Топология печатной платы
другим типом не рекомен-
дуется. Наибольшее тепло-
выделение в схеме про-
исходит на выпрямитель-
ных диодах VD5, VD6, и их
необходимо устанавливать
на радиатор.
Примечание.
Остальные детали
схемы в теплоот-
воде не нуждаются.
Наладка. Перед первона-
чальным включением пре-
образователя необходимо
проверить фазы обмоток
в цепях базы VT2 и VT3 на
соответствие схеме. Если
преобразователь при пра-
вильном монтаже сразу
не начинает работать, то
потребуется поменять
местами выводы обмотки I
у трансформатора Т2.
Печатная плата.
Конструктивно все эле-
менты схемы, кроме вклю-
чателя S1 и диодов VD5,
VD6, размещены на одно-
сторонней печатной плате
размером 140><65 мм.
Топология печатной платы
приведена на рис. 4.8.
Описание схемы при-
водится по [129].
Импульсный источник питания -220 В /=5 В 4 000 мА
(AC-DC Step-Down ~220/=5 V)
Назначение. Предназначен для питания от сети 220 В 50 Гц
устройств с потребляемым током до 4 А при выходном напряжении 5 В.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
219
Особенности. Источник питания представляет собой однотактный
обратноходовый преобразователь напряжения с самовозбуждением.
Отличительная особенность предлагаемого устройства — отсутствие спе-
циализированных микросхем, простота и дешевизна в изготовлении.
Для получения другого выходного напряжения нужно пропорцио-
нально изменить число витков обмотки III трансформатора Т1 и коэф-
фициент деления делителя Rl I, R12.
Характеристики. Максимальная выходная мощность — 20 Вт.
Выходное напряжение — 5 В. Максимальный ток нагрузки — 4 А.
Интервал входного напряжения сети — 187—242 В. Частота входного
напряжения — 50 Гц. Нестабильность выходного напряжения — не более
2%. Амплитуда пульсации — 1%. Интервал рабочей температуры от -40
до +70°С. Габариты — 80*65*20 мм. Масса с теплоотводом — 120 г.
Схема. Схема устройства показана на рис. 4.9. Источник питания
содержит:
♦ сетевой выпрямитель VD1—VD4;
♦ помехоподавляющий фильтр LI, C1—СЗ;
♦ преобразователь на коммутирующем транзисторе VT1 и им-
пульсном трансформаторе Т1;
♦ выходной выпрямитель VD8 с фильтром С9, СЮ, L2;
♦ узел стабилизации, выполненный на стабилизаторе DA1 и оп-
тронеШ.
Устройство работает следующим образом. После включения
источника питания приоткрывается коммутирующий транзистор VT1
и по первичной обмотке импульсного трансформатора Т1 начинает
Рис.4.9. Схема простого импульсного источника питания 5 В4А
220 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
протекать ток. В обмотке обратной связи II трансформатора наводится
ЭДС, которая по цепи положительной обратной связи через резистор
R9, диод VD5, конденсатор С5 поступает на затвор полевого транзистора
VT1. В результате чего развивается лавинообразный процесс, приводя-
щий к полному открыванию коммутирующего транзистора. Начинается
накопление энергии в трансформаторе Т1.
Ток через коммутирующий транзистор VT1 линейно нарастает, а
напряжение с датчика тока — резистор R10 — через диод VD6 и конден-
сатор С7 воздействует на базу фототранзистора оптрона U1.1, приот-
крывая его, из-за чего уменьшается напряжение на затворе полевого
транзистора. Начинается обратный процесс, приводящий к закрыва-
нию коммутирующего транзистора VT1.
В этот момент открывается диод VD8 и энергия, накопленная в транс-
форматоре Т1, передается в конденсатор выходного фильтра С9. Когда
выходное напряжение по какой-либо причине превысит номинальное
значение, стабилизатор DA1 откроемся. Через него и последовательно
включенный излучающий диод оптркжа Ш.2 начинает протекать ток.
Излучение диода приводит к более раннему открыванию транзи-
стора оптрона, в результате чего время открытого состояния коммути-
рующего транзистора уменьшается, энергии в трансформаторе запаса-
ется меньше, а, следовательно, выходное напряжение уменьшается.
Если же выходное напряжение понижается, ток через излучаю-
щий диод оптрона уменьшается, а транзистор оптрона закрывается. В
результате время открытого состояния коммутирующего транзистора
увеличивается, энергии в трансформаторе запасается больше и выход-
ное напряжение восстанавливается.
Резистор R3 необходим для уменьшения влияния темнового тока
транзистора оптрона и улучшения термостабильности всего устрой-
ства. Конденсатор С7 повышает устойчивость работы источника пита-
ния. Цепь С6, R8 форсирует процессы переключения транзистора VT1
и увеличивает КПД устройства. По приведенной схеме были изготов-
лены несколько десятков источников Литания с выходной мощностью
15-25 Вт.
Элементная база и аналоги. Вместо коммутирующего транзи-
стора VT1 можно использовать как полевые, так и биполярные тран-
зисторы, например, серий 2Т828, 2Т839, КТ872А, КП707, BUZ90 и т. д.
Транзисторный оптрон можно применить любой из серий АОТ110,
АОТ126, АОТ128, а стабилизатор КР142ЕН19А- TL431. Однако луч-
шие результаты получились с импортными элементами (BUZ90,4N35,
TL431).
Все резисторы в источнике питания — для поверхностного мон-
тажа типоразмера 1206 мощностью 0,25 Вт, конденсаторы С1—СЗ, С8 —
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 221
К10-47в на напряжение 500 В, С5—С7 — для поверхностного монтажа,
остальные — любые оксидные.
Моточные элементы. Трансформатор Т1 наматывают на двух,
сложенных вместе, кольцевых магнитопроводах К19>< 11*6,7 из пер-
маллоя МП 140. Первичная обмотка содержит 180 витков провода
ПЭВ-2-0,35, обмотка II — 8 витков провода ПЭВ-2-0,2, обмотка III на
выходное напряжение 5 В — 7 витков из пяти сложенных проводни-
ков ПЭВ-2-0,56. Порядок намотки соответствует их нумерации, причем
витки каждой обмотки необходимо равномерно распределить по всему
периметру магнитопровода.
Дроссели L1 и L2 выполнены на кольцевых магнитопроводах
К15*7*6,7 из пермаллоя МП140. Первый содержит две обмотки по 30
витков в каждой, намотанных проводом ПЭВ-2-0,2 на разных полови-
нах магнитопровода, второй наматывают проводом ПЭВ-1-0,8 в один
слой по всей длине магнитопровода, сколько уместится. Чтобы умень-
шить пульсации выходного напряжения, общую точку конденсаторов
С2 и СЗ сначала следует соединить с минусовым выводом конденсатора
СЮ, а затем с остальными деталями — обмоткой III трансформатора
Т1, минусовым выводом конденсатора С9, резистором R12 и выводом
2 стабилизатора DA1.
Совет.
Первое включение прибора лучше производить от источника
питания с ограничением тока, например, Б5-50, причем подавать
следует сразу рабочее напряжение, а не повышать его постепенно.
<.
Наладка. Налаживание устройства заключается в подстройке выход-
ного напряжения делителем Rl I, R12 и, если необходимо, установке дат-
чиком тока R10 порога ограничения выходной мощности (начала рез-
кого падения выходного напряжения при увеличении тока нагрузки).
Подробное описание схемы приводится в [42].
Импульсный источник питания -220 В /=12, ±50 В 800 Вт
(AC-DC Step-Down ~220/=12, ±50 V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры с большим
током потребления.
Особенности. Импульсные источники питания широко использу-
ются в современной радиоэлектронной аппаратуре. Вниманию читате-
лей предлагается импульсный источник питания мощностью 800 Вт. От
описанных ранее он отличается применением в преобразователе поле-
вых транзисторов и трансформатора с первичной обмоткой со сред-
ним выводом. Первое обеспечивает более высокий КПД и пониженный
222 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
уровень высокочастотных помех, а второе — вдвое меньший ток через
ключевые транзисторы и исключает необходимость в развязывающем
трансформаторе в цепях их затворов.
Недостаток такого схемного решения — высокое напряжение на
половинах первичной обмотки, что требует применения транзисторов
с соответствующим допустимым напряжением. Правда, в отличие от
мостового преобразователя, в данном случае достаточно двух транзи-
сторов вместо четырех, что немного упрощает конструкцию и повы-
шает КПД устройства.
В предлагаемом импульсном источнике питания применен двух-
тактный преобразователь с трансформатором, первичная обмотка
которого имеет средний вывод. Он имеет высокий КПД, низкий уро-
вень пульсации и слабо излучает помехи в окружающее пространство.
Автором (А. Колгановым — прим. редактора) он используется для пита-
ния двухканального умощненного варианта УМЗЧ.
Характеристики. Входное напряжение — 180—240 В. Номинальное
выходное напряжение (при входном 220 В) — 2*50 В. Максимальная
мощность нагрузки — 800 Вт. Рабочая частота преобразователя —
90 кГц. Предохранитель — 10 А.
Схема. Принципиальная схема источника изображена на рис. 4.10.
Как видно, это преобразователь с внешним возбуждением без стаби-
лизации выходного напряжения. На входе устройства включен высо-
кочастотный фильтр Cl, LI, C2, предотвращающий попадание помех в
сеть. Пройдя его, сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом
VD1—VD4, пульсации сглаживаются конденсатором СЗ. Выпрямленное
постоянное напряжение (около 310 В) используется для питания высо-
кочастотного преобразователя.
Устройство управления преобразователем выполнено на микросхе-
мах DD1—DD3. Питается оно от отдельного стабилизированного источ-
ника, состоящего из понижающего трансформатора Т1, выпрямителя
VD5 и стабилизатора напряжения на транзисторах VT1, VT2 и стаби-
литроне VD6. На элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор,
вырабатывающий импульсы с частотой следования около 360 кГц.
Далее следует делитель частоты на 4, выполненный на триггерах
микросхемы DD2. С помощью элементов DD3.1, DD3.2 создаются допол-
нительные паузы между импульсами. Паузой является не что иное, как
уровень логического 0 на выходах этих элементов, появляющийся при
наличии уровня логической 1 на выходах элемента DD1.2 и триггеров
DD2.1 и DD2.2. Напряжение низкого уровня на выходе DD3.1 (DD3.2)
блокирует DD1.3 (DD1.4) в «закрытом» состоянии (на выходе — уровень
логической 1). Длительность паузы равна 1/3 от длительности импульса
напряжений на выводах 1 DD3.1 и 13 DD3.2, чего вполне достаточно
FU1 5А
VD1...VD4
Д246
+50 В
DD1
К561ЛА7
DD2
К561ТМ2
DD3
К561ЛА8
2200MK=j=
С14...С1714] 63 В
С14...С21.С24.С25
4,7 мк
63 В
ь1
I
1
х
I
R5 6,8 к
Рис. 4.10. Схема мощного импульсного источника питания
го
U4
224 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
для закрывания ключевого транзистора. С выходов элементов DD1.3 и
DD1.4 окончательно сформированные импульсы поступают на транзи-
сторные ключи (VT5, VT6), которые через резисторы RIO, R11 управ-
ляют затворами мощных полевых транзисторов VT9, VT10.
Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера DD2.2 посту-
пают на входы устройства, выполненного на транзисторах VT3, VT4,
VT7, VT8. Открываясь поочередно, VT3 и VT7, VT4 и VT8 создают усло-
вия для быстрой разрядки входных емкостей ключевых транзисторов
VT9, VT10, т. е. их быстрого закрывания. В цепи затворов транзисторов
VT9 и VT10 включены резисторы относительно большого сопротив-
ления R10 и R11. Вместе с емкостью затворов они образуют фильтры
нижних частот, уменьшающие уровень гармоник при открывании
ключей.
С этой же целью введены элементы VD9-VD12, R16, R17, С12, С13. В
стоковые цепи транзисторов VT9, VT10 включена первичная обмотка
трансформатора Т2. Выпрямители выгодного напряжения выполнены
по мостовой схеме на диодах VD13— VD20, что несколько уменьшает
КПД устройства, но значительно (более чем в пять раз) снижает уровень
пульсации на выходе источника питания.
о
Примечание.
Важно отметить, что форма колебаний, почти прямоугольная
при максимальной нагрузке, плавно переходит в близкую к синусо-
идальной при уменьшении мощности до 10-20 Вт. Это положи-
тельно сказывается на уровне шумов питаемого от этого блока
УМЗЧ при малой громкости.
Выпрямленное напряжение обмотки IV трансформатора Т2 исполь-
зуют для питания вентиляторов.
Элементная база и аналоги. В устройстве применены конденса-
торы К73-17 (С1, С2, С4), К50-17 (СЗ), МБМ (С12, С13), К73-16 (С14-
С21, С24, C2S), К50-35 (С5-С7), КМ (остальные). Вместо указанных на
схеме допустимо применение микросхем серий К176, К564. Диоды Д246
(VD1—VD4) заменимы на любые другие, рассчитанные на прямой ток
не менее 5 А и обратное напряжение не менее 350 В (КД202К, КД202М,
КД202Р, КД206Б, Д247Б), или диодный выпрямительный мост с такими
же параметрами, диоды КД2997А (VD13-VD20) - на КД2997Б, КД2999Б,
стабилитрон Д810 (VD6) - на Д814В.
В качестве VT1 можно использовать любые транзисторы серий
КТ817, КТ819, в качестве VT2-VT4 и VT5, VT6 - соответственно, любые
из серий КТ315, КТ503, КТ3102 и КТ361, КТ5О2, КТ3107, на месте VT9,
VT10 - КП707В1, КП707Е1. Транзисторы КТ3102Ж (VT7, VT8) заменять
не рекомендуется.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 225
Моточные элементы. Трансформатор Т1 — ТС-10-1 или любой дру-
гой с напряжением вторичной обмотки 11—13 В при токе нагрузки не
менее 150 мА. Катушку L1 сетевого фильтра наматывают на феррито-
вом (М2000НМ1) кольце типоразмера К31х18,5><7 проводом ПЭВ-1-1,0
(2x25 витков), трансформатор Т2 — на трех склеенных вместе кольцах
из феррита той же марки, но типоразмера К45х28х12. Обмотка I содер-
жит 2*42 витка провода ПЭВ-2-1,0 (наматывают в два провода), обмотки
II и III — по 7 витков (в пять проводов ПЭВ-2-0,8), обмотка IV — 2 витка
ПЭВ-2-0,8. Между обмотками прокладывают три слоя изоляции из фто-
ропластовой ленты.
Магнитопроводы дросселей L2, L3 — ферритовые (1500НМЗ) стержни
диаметром 6 и длиной 25 мм (подстроечники от броневых сердечников
Б48). Обмотки содержат по 12 витков провода ПЭВ-1-1,5. Транзисторы
VT9, VT10 устанавливают на теплоотводах с вентиляторами, применяе-
мых для охлаждения процессоров Pentium (подойдут аналогичные узлы
и от процессоров 486). Диоды VD13—VD20 закрепляют на теплоотводах
с площадью поверхности около 200 см2.
Монтаж. При монтаже источника питания
следует стремиться к тому, чтобы все соеди- Ксе™
нения были как можно более короткими, a ~220B_
в силовой части использовать провод воз-
можно большего сечения. Источник пита- Рис.4.И.Схема соединения
ния желательно заключить в металлический корпуса с нулевым
экран и соединить его с выводом 0 В выхода потенциалом
источника, как показано на рис. 4.11.
Внимание.
Общий провод силовой части с экраном соединяться не должен.
Поскольку источник питания не оснащен устройством защиты
от короткого замыкания и перегрузки, в цепи питания необхо-
димо включить предохранители на 10 А.
Наладка. В налаживании описанный источник питания практиче-
ски не нуждается. Важно только правильно сфазировать половины пер-
вичной обмотки трансформатора Т2. При исправных деталях и отсут-
ствии ошибок в монтаже блок начинает работать сразу после включе-
ния в сеть. Если необходимо, частоту преобразователя подстраивают
подбором резистора R3. Для повышения надежности ИБП желательно
эксплуатировать его с УМЗЧ, в котором предусмотрена сквозная про-
дувка вентилятором.
Подробное описание схемы приводится в [61].
226 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Импульсный источник питания ~220 В /=15 В регулируемое
(AC-DC Step-Down ~220/=15 V var)
Назначение. Импульсный источник питания с полумостовым пре-
образователем с регулируемым выходным напряжением без стабилиза-
ции используется для питания паяльной станции.
Особенности. Построение и наладка этого источника питания не
вызывают затруднений, что является главным его достоинством. Узел
управления выполнен на микросхеме КР1156ЕУ2, которая представ-
ляет собой высокочастотный ШИМ-контроллер, оптимизированный
для построения двухтактных высокочастотных импульсных источников
питания
Характеристики. Входное напряжение — 220 В 50 Гц. Выходное
напряжение — + 15 В и регулируемое.
Схема. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 4.12.
Напряжение сети поступает на фильтр Cl, LI, C2, выпрямляется диод-
ным мостом VD1 и через токоограничительный резистор R6 заряжает
конденсаторы СП и С12, образующие одно плечо моста. Другое плечо
образовано транзисторами VT1, VT2. В диагональ моста включена пер-
вичная обмотка трансформатора Т2. Полевые транзисторы VT1, VT2 поо-
чередно открываются импульсами с выхода микросхемы DA1, причем
VT2 управляется непосредственно от микросхемы, a VT1 — через транс-
форматор Т1, служащий для гальванической развязки. В цепи затворов
включены резисторы R8 и R9, которые совместно с емкостями затворов
образуют НЧ фильтры, снижающие помехи при переключении.
Микросхема ШИМ-контроллера КР1156ЕУ2 имеет два выходных
каскада (выводы 11,14), рассчитанные на значительный выходной ток
(как втекающий, так и вытекающий): постоянный — 0,5 А, импульс-
ный — до 2 А. Управляется микросхема внутренним генератором,
частота которого задается подключением резистора к выводу 5 и кон-
денсатора к выводу 6 (R5, С7 на рис. 4.12). Частота преобразователя в
данном случае выбрана равной 50 кГц.
Для широтно-импульсной модуляции выходных сигналов служит
устройство, состоящее из триггеров и усилителя сигнала ошибки. С
помощью усилителя сигнала ошибки можно осуществить стабилиза-
цию выходного напряжения за счет сравнения части выходного напря-
жения с опорным, подключив соответствующим образом отрицатель-
ную обратную связь на вход усилителя.
Однако в данной конструкции эта возможность не используется,
поэтому соединения сделаны следующим образом. На неинверти-
рующий вход микросхемы (вывод 2) подано напряжение +5,1 В с источ-
ника опорного напряжения (вывод 16). На вывод 7 подано пилообраз-
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
227
КД510АА0.33МК КС162А
Рис. 4.12. Схема импульсного источника питания с полумостовым
преобразователем с регулируемым выходным напряжением без стабилизации
ное напряжение с вывода 6. Инвертирующий вход усилителя (вывод 1)
соединен с общим проводом через резистор R4.
При таком включении усилитель сигнала ошибки установлен на
максимальную длительность выходных импульсов. Для управления
длительностью импульсов использована другая возможность контрол-
лера — узел «мягкого запуска» с выводом 8. Если на этот вывод подать
изменяющееся приблизительно от 2,25 до 4,5 В напряжение, то длитель-
ность выходных импульсов будет регулироваться в пределах 0—100%
от максимальной. Максимальная длительность импульсов составляет,
соответственно, 80% от длительности полупериода.
Ток по выводу 8 очень мал (порядка 10 мкА); подключением кон-
денсатора к этому выводу можно осуществить так называемый «мяг-
кий запуск», когда работа преобразователя начинается с минимальной
длительности импульсов, и постепенно, за счет заряда конденсатора,
228 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
увеличивается до стационарного значения. В данном устройстве дли-
тельность импульсов, а значит, и выходное напряжение, регулируется
переменным резистором R2. Резистор включен в цепочку делителя R1—
R3, подключенную к опорному напряжению +5,1 В.
Назначение вывода 9 микросхемы — защита по току. Если ток через
транзистор VT2 превысит 1 А, то напряжение на выводе 9 будет более
1 В и выходы микросхемы переключатся в состояние «выключено» до
окончания текущего цикла. Напряжение питания микросхемы посту-
пает на вывод 15. Отдельные выводы силового питания (вывод 13) и
общего провода (вывод 12) позволяют, при необходимости, развязать
по питанию мощный выходной каскад, являющийся источником помех,
от остальной части преобразователя.
Напряжение питания на микросхему поступает с выпрямителя
на диодах VD12, VD13 и конденсаторе СЮ. При включении устрой-
ства в сеть это напряжение отсутствует, поэтому необходимо решить
проблему первоначального пуска. Дда этого используется следу-
ющая особенность микросхемы. Если Напряжение питания микро-
схем меньше 9 В, контроллер находится' в выключенном состоянии,
сигналы на выходах А и В отсутствуют, микросхема потребляет ток
порядка 1 мА и не шунтирует конденсатор С6, который заряжается
через резистор R7.
При достижении напряжения приблизительно 9,8 В микросхема
включается. Преобразователь запускается, на обмотке III трансформа-
тора появляется напряжение, которое выпрямляется и обеспечивает
питание микросхемы во время работы (около 15 В в данном устройстве).
Вывод 15 микросхемы имеет гистерезис около 0,8 В, поэтому выклю-
чится микросхема только при снижении напряжения питания ниже 9 В,
в результате кратковременное снижение напряжения на выводе 15 при
запуске микросхемы не приводит к ее выключению.
Как уже говорилось, форма сигнала на выходах А и В (выводы 11 и
14, соответственно) представляет собой попеременно появляющиеся
импульсы с максимальной длительностью 80% от полупериода, поэтому
между закрыванием одного транзистора и открыванием другого есть
достаточно большой интервал. В результате момент, когда оба транзи-
стора открыты, исключен, и сквозные токи отсутствуют.
Выходное напряжение с обмотки II выпрямляется диодами VD14—
VD17 и через дроссель L2 поступает на конденсатор С13 и далее на
выход преобразователя. Назначение дросселя L2 — выделение из
выпрямленной последовательности прямоугольных импульсов посто-
янной составляющей. В паузах между импульсами выпрямленного
напряжения все диоды выпрямителя оказываются открытыми, и через
них энергия, накопленная в дросселе, поступает в нагрузку.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 229
Элементная база и аналоги. В источнике применены импортные и
отечественные детали:
♦ VD1 — диодный мост W06M с обратным напряжением 600 В
и максимальным током 1,5 А;
♦ СИ, С12 — по два параллельно соединенных конденсатора
47 мкФ х 160 В фирмы Jamicon;
♦ VD14—VD17 — импортные диоды SF22c обратным напряжением
100 В и максимальным током 2 А и временем восстановления 35 не.
D
Примечание.
Следует отметить, что 6т быстродействия этих диодов сильно
зависит КПД и уровень помех устройства.
Транзисторы установлены на небольшие радиаторы. VD7, VD8 — по
два последовательно соединенных стабилитрона на суммарное напря-
жение стабилизации 18 В. Остальные детали — типовые для импульс-
ных источников.
Моточные элементы. Трансформатор Т1 намотан на кольце
К10*6><4,5 из феррита М2000НМ1, число витков обмоток I — 50, II —
40, диаметр провода 0,15 мм, трансформатор Т2 намотан на кольце
К31* 18,5*7 из феррита М1000НМ1, обмотка I содержит 160 витков про-
вода ПЭВ-1 диаметром 0,3 мм, II — 40 витков такого же провода диаме-
тром 0,6 мм, III — 2x15 витков провода диаметром 0,15 мм. Дроссель L2
намотан на кольце К20х10*5 из феррита М2000НМ1 с зазором в кольце
1,5 мм; число витков — ПО, провод диаметром 0,5 мм. Зазор выполнен
ножовкой по металлу или «болгаркрй» алмазным кругом, в зазор для
прочности вклеена прокладка из текстолита.
Наладка. При налаживании устройства к выводам 15 и 10 микро-
схемы DA1 подключается внешний источник питания +12 В и про-
веряется наличие сигналов на выходах А и В, их форму и изменение
длительности импульсов при регулировании резистором R2. При необ-
ходимости подбираются резисторы R1 и R3 на необходимый диапазон
регулирования.
Далее вместо 220 В подключается напряжение порядка 30—40 В, не
отключая источник +12 В, и проверяется сигнал в точке соединения
транзисторов, а также формирование напряжений на выходе устрой-
ства и на конденсаторе СЮ. Напряжения должны быть пропорцио-
нально уменьшенными по сравнению со стационарным режимом.
После этого убирается источник +12 В и устройство можно включить
в сеть 220 В. В последнюю очередь уточняется число витков обмоток I
и III трансформатора Т2: III — для обеспечения питания +15 В, а также
обмотки И — на необходимое максимальное напряжение источника.
Подробное описание схемы приводится в [38].
230 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Импульсный источник питания -220 В /±25, =20, =10 В
(AC-DC Step-Down ~220/±25, =20, =10 V)
Назначение. Источник предназначен для питания усилителя мощ-
ности звуковой частоты.
Характеристики. Напряжение питания — 200—240 В. Выходные
напряжения: ±25 В, 20 В и 10 В при токах нагрузки, соответственно, 3 А,
1АиЗА.КПД-0,75.
Схема. Принципиальная схема устройства показана на рис. 4.13.
Функции сетевого фильтра выполняют элементы С2, Т1, СЗ.
Выпрямитель преобразователя напряжения — двухполупериодный
мостовой на диодах VD1—VD4, транзисторный фильтр образован эле-
ментами R3, С5, R4, VT1, С7. Он уменьшает пульсации выпрямленного
напряжения частотой 100 Гц, что необходимо для предотвращения
модуляции ими прямоугольного напряжения высокочастотного пре-
образователя. Последний выполнен на транзисторах VT5, VT6. Через
понижающий трансформатор ТЗ его выходное напряжение посту-
пает на двухполупериодные выпрямители VD13—VD16; VD17—VD20.
Пульсации выпрямленных напряжений сглаживают конденсаторы
СИ—С18.
Задающий генератор собран на элементах микросхемы DDL
Подстроечным резистором R1 частоту следования его импульсов можно
изменять в пределах от 100 до 200 кГц. Триггер DD2.1 формирует из
них импульсы с более крутыми фронтами и вдвое меньшей частотой
следования. С преобразователем напряжения генератор связан через
комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах VT3, VT4
и трансформатор Т2. Питание на задающий генератор поступает через
выпрямитель (VD5—VD8) и стабилизатор напряжения (VT2, R5, VD9,
VD10). Избыток сетевого напряжения гасит конденсатор С4.
Элементная база и аналоги. В источнике питания могут быть
использованы любые подходящие по габаритам и параметрам рези-
сторы и конденсаторы. Вместо транзисторов КТ812А можно приме-
нить КТ809А или КТ704Б. Статические коэффициенты передачи тока
транзисторов VT5, VT6 должны быть примерно одинаковыми. Заменять
микросхемы серии К511 какими-либо другими не рекомендуется,
поскольку они менее всего подвержены действию высокочастотных
помех и позволяют получить довольно большой (около 13 В) размах
импульсов на выходе триггера.
В крайнем случае, можно воспользоваться микросхемами серии
К155, однако это потребует дополнительного усиления импульсов,
подаваемых на базы транзисторов VT3, VT4. Не следует заменять и
диоды КД213Г и КД212А, так как они имеют довольно высокую гранич-
ь1
VD1...VD4 VT1
КЦ404В КТ812А
1
X
I
I
К выв. 7
DD1.DD2
Рис. 4.13. Схема импульсного сетевого источника питания УМЗЧ
232 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
ную частоту (около 100 кГц), позволяющую выбрать такую же частоту
преобразования и, как следствие этого, уменьшить габариты выходного
трансформатора ТЗ и поднять КПД блока питания.
Моточные элементы. Трансформатор сетевого фильтра Т1 выпол-
нен на кольцевом магнитопроводе типоразмера K20*10x5 из феррита
М2000НМЗ, обе его обмотки содержат по 17 витков провода МГТФ-0,5.
Магнитопровод трансформатора преобразователя Т2 — К16*8*6 из
феррита М2000НН-1, все его обмотки намотаны в три провода (ПЭЛШО
0,12) и содержат по 90 витков.
В выходном трансформаторе ТЗ использован магнитопровод
К38*24х7 из такого же материала. Его обмотки 1-2,3-4-5 и 9-10 содер-
жат, соответственно, 30+5+5; 5+5 и 2 витка провода ПЭВ-2-1,0; обмотка
6-7-8 содержит 4+4 витка провода ПЭВ-1-0,6. Все обмотки равномерно
распределяют по кольцу и тщательно закрепляют, а для исключения
межобмоточных замыканий отделяют одну от другой фторопласто-
вой пленкой. Мощные транзисторы УТ2, VT5, VT6 размещены на трех
теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 65 см каждый.
Подробное описание схемы приводится в [129].
Импульсный источник питания -220 В /±25 В 280 Вт
(AC-DC Step-Down ~220/±25 V)
Назначение. Питание радиоэлектронной аппаратуры.
Характеристики. Мощность источника питания — около 180 Вт.
Выходное напряжение — 2*25 В при токе нагрузки 3,5 А. Размах пульса-
ций при токе нагрузки 3,5 А не превышает 10% для частоты пульсаций
100 Гц и 2% — для частоты 27 кГц. Выходное сопротивление не превы-
шает 0,6 Ом. Габариты источника — 170x80x35 мм, масса — 450 г.
Схема. Принципиальная схема источника питания представлена на
рис. 4.14.
После выпрямления диодным мостом VD1 сетевое напряжение филь-
труют конденсаторы С1—С4. Резистор kl ограничивает ток зарядки
конденсаторов фильтра, протекающий через диоды выпрямителя при
включении блока. Отфильтрованное напряжение поступает на преобра-
зователь напряжения, построенный по схеме полумостового инвертора
на транзисторах VT1, VT2.
Преобразователь нагружен первичной обмоткой трансформа-
тора Т1, преобразующего напряжение и гальванически развязыва-
ющего выход блока от сети переменного тока. Конденсаторы СЗ и
С4 препятствуют проникновению в сеть ВЧ помех от блока питания.
Полумостовой инвертор преобразует постоянное напряжение в пере-
менное прямоугольной формы с частотой 27 кГц.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
233
Рис. 4.14. Схема экономичного импульсного источника питания
Трансформатор Т1 рассчитан так, что его магнитопровод не насы-
щен. Автоколебательный режим работы обеспечен цепью обратной
связи, напряжение которой снимается с обмотки III трансформатора
Т1 и подается на обмотку I вспомогательного трансформатора Т2.
Резистор R4 ограничивает напряжение на обмотке I трансформатора
Т2. От сопротивления этого резистора зависит в определенных преде-
лах частота преобразования.
Для обеспечения надежного запуска преобразователя и его устойчи-
вой работы служит узел запуска, представляющий собой релаксацион-
ный генератор на транзисторе VT3, работающем в лавинном режиме.
При включении питания через резистор R5 начинает заряжаться кон-
денсатор С5 и, когда напряжение на нем достигает 50—70 В, транзистор
VT3 лавинообразно открывается и конденсатор разряжается. Импульс
тока открывает транзистор VT2 и запускает преобразователь.
Моточные элементы. Намоточные характеристики трансформато-
ров приведены в табл. 4.2.
Намоточные характеристики трансформаторов
Трансформатор
Т1
Т1
Номер обмотки
1
II
III
1
II
III
Кол-во витков
82
16+16
2
10
6
6
Диаметр провода, мм
0,5
1
0,3
0,3
0,3
0,3
Таблица 4.2
Сердечник
2 кольца
М2000НМ
К31*18,5*7
М2000НН
«10*6*5
Расположение обмоток трансформатора Т1 приведено на рис. 4.15
(первичная обмотка намотана по всему периметру кольца, на рисунке
условно не показана).
234 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Провод обмоток — ПЭВ-2. Для облегчения запу-
ска преобразователя обмотка III трансформатора
Т1 должна располагаться на месте, не занятом
обмоткой П. Межобмоточную изоляцию в транс-
РиГ415 форматорах выполняют лентой из лакоткани.
Расположение Между обмотками I и И трансформатора Т1 изо-
обмоток ляция трехслойная, между остальными обмотками
трансформатора Т1 , «
к ^ и и трансформаторов — однослойная.
Аналоги. Транзисторы КТ812А можно заменить на КТ812Б, КТ809А,
КТ704А-КТ704В, диоды КД213А- на КД213Б. Правильно собранный
источник питания обычно в налаживании не нуждается, однако в
отдельных случаях может потребоваться подборка транзистора VT3.
Для проверки его работоспособности временно отключают вывод
эмиттера и присоединяют его к минусовому выводу сетевого выпрями-
теля. Осциллографом наблюдают напряжение на конденсаторе С5 — пило-
образный сигнал размахом 20—50 В и частотой несколько герц. Если пило-
образное напряжение отсутствует, транзистор необходимо заменить.
Конструктивные особенности. Транзисторы VT1 и VT2 установ-
лены на теплоотводах площадью 50 см каждый. Диоды VD2—VD5 тоже
снабжены пластинчатыми теплоотводами. Диоды зажаты между пятью
дюралюминиевыми пластинами размерами 40><30 мм каждая (три
средние пластины толщиной 2 мм, две крайние — 3 мм). Весь пакет
стягивают двумя винтами МЗ*30, пропущенными через отверстия в
пластинах. Для предотвращения замыкания пластин винтами на них
надеты отрезки поливинилхлоридной трубки.
Применение этого источника питания не исключает необходимости
блокирования цепей питания усилителя 34 конденсаторами большой
емкости. Подключение таких конденсаторов в еще большей степени
уменьшает уровень пульсаций.
Подробное описание схемы приводится в [131].
Импульсный источник питания -220 В /±30 В 200 Вт
(AC-DC Step-Down ~220/±30 V)
Назначение. Для питания мощного усилителя 34 был разработан
этот импульсный источник питания.
Характеристики. Напряжение питающей сети 220 В. Номинальная
мощность в нагрузке — не менее 200 Вт. Выходное напряжение каж-
дого из выпрямителей при номинальной мощности — не менее 30 В.
Выходное напряжение холостого хода каждого из выпрямителей — не
более 40 В. Коэффициент полезного действия (при Р = 200 Вт) — не
менее 80%. Частота работы преобразователя — 25—35 кГц.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
235
VD5
SB1J1
«Сеть»>
Рис. 4.16. Схема выпрямителя сетевого напряжения
Схема. Принципиальная схема выпрямителя сетевого напряже-
ния приведена на рис. 4.16. Принципиальная схема преобразователя и
выпрямителей выходного напряжения на рис. 4.17. Источник питания
не стабилизирован, поскольку выходной каскад питаемого УМЗЧ выпол-
нен по двухтактной схеме и не очень критичен к напряжению питания.
Для ограничения пускового тока в блоке питания предусмотрен
режим ступенчатого повышения мощности до номинальной. С этой
целью в него введены:
♦ ограничивающий резистор R2;
♦ тринистор VD6.
L3 L7
ЮмкГн ЮмкГн
:C104=C14
+зо в
VD3...VD10
КД213А
L4 L8
ЮмкГн ЮмкГн
-ЗОВ
:С11=т=С15
+30 В
-ЗОВ
L5 L9
ЮмкГн ЮмкГн
iL^e +зо в
-зов
L6 L10
ЮмкГн ЮмкГн
VD2
КД510А
Запуск
■С13 =
:С17
+30 В
+U
СЮ...С17 -ЗОВ
200 мк
VD10 50В
Рис. 4.17. Схема преобразователя и выпрямителей выходного напряжения
236
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
В начальный момент времени тринистор VD6 закрыт, ток зарядки
конденсатора С6 ограничивается резистором R2 и преобразователь
запускается при пониженном напряжении.
После этого с обмотки IV трансформатора ТЗ на диод VD7 поступает
управляющее напряжение, которое открывает тринистор. Он шунти-
рует резистор R2, и преобразователь выходит на номинальный режим
работы. Диод VD5 защищает тринистор VD6. Цепь Rl, C2, ограничиваю-
щая скорость нарастания напряжения на аноде тринистора VD6, исклю-
чает его самопроизвольное включение.
Элементы LI, L2, СЗ, С4 образуют фильтр, который подавляет
импульсные помехи, создаваемые генератором блока питания.
Преобразователь представляет собой двухтактный полумостовой авто-
генератор, запускаемый релаксационным генератором на транзисторах
VT1,VT2.
Моточные элементы. Намоточные данные трансформаторов Т1—
ТЗ приведены в табл. 4.3. Рекомендуемый порядок намотки обмоток
трансформатора ТЗ следующий: обмотка I, экранирующая, обмотки V—
XII, экранирующая, обмотки И, III, IV. Вторичные обмотки V—XII нама-
тывают одновременно в четыре провода. Трансформатор Т4 выполнен
на магнитопроводе Ш6><6 из феррита 2000НМС, каждая из его обмоток
содержит по 40 витков провода ПЭВ-2-0,41. Все дроссели типа ДМ.
Плата преобразователя помещена в перфорированный кожух. За его
пределами, на выходе каждого канала источника питания 30 В, уста-
новлены: электролитические конденсаторы типа К50-16 емкостью
1000 мкФ.
Подробное описание и методика налаживания устройства при-
ведены в [183].
Намоточные данные трансформаторов Т1 -ТЗ Таблица 4.3
Трансформатор
Т1
Т2
ТЗ
Магнитопровод
ЗОООНМСК 10x6x3
2000НМАК 10x6x3
3000НМСПК 30x16
Марка и диаметр
провода, мм
ПЭВ-2-0,56
ПЭВ-2-0,56
ПЭВ-2-0,9
Число витков в обмотке
1
4
4
48
II
4
2
48
III
9
-
6
IV
2
-
6
V-XII
-
-
19 (ПЭВ-2-0,56)
Импульсный источник питания -220 В /±60 В
(AC-DC Step-Down ~220/±60 V)
Назначение. Источник предназначен для питания усилителя мощ-
ности звуковой частоты.
Схема. Принципиальная схема источника питания представлена на
рис. 4.18.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
237
+60 В
-60 В
К выв. 7... 11 DD1
Рис. 4.18. Схема импульсного источника питания УМЗЧ
Псевдосенсорный выключатель источника питания выполнен на
элементах VD1, VS1 со схемой управления, собранной на DD1, VT1 и
оптопаре U1. Питание схемы управления осуществляется от стабилизи-
рованного выпрямителя, выполненного на С4, R7, VD3, VD4, СЗ. После
электронного коммутатора напряжение поступает через помехоподавля-
ющий фильтр (его можно использовать от импульсного источника пита-
ния телевизора) на выпрямитель VD2, С9. Резистор R13 ограничивает
ток заряда конденсатора С9 во избежание выхода из строя моста VD2.
Обмотки фильтра питания включены так, что магнитные потоки, созда-
ваемые за счет протекания входного тока, взаимно компенсируются.
Автогенераторный преобразователь напряжения собран по
полумостовой схеме с ненасыщающимся силовым трансформатором.
Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное напря-
жение прямоугольной формы с частотой около 30 кГц. Трансформатор
238 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
рассчитан так, что за время рабочего полупериода индукция в его маг-
нитопроводе не достигает индукции насыщения, при этом процесс
переключения мощных транзисторов начинается не с увеличения тока
коллектора открытого транзистора (как это имеет место в схемах с
насыщающимся трансформатором), а с уменьшения базового тока.
В отличие от Т2, трансформатор ТЗ — насыщающийся. При его насы-
щении происходит увеличение тока холостого хода, что вызывает уве-
личение падения напряжения на резисторе R11, включенном в цепь его
первичной обмотки, и уменьшение напряжения на выходных обмотках.
При этом ток базы открытого транзистора уменьшается вплоть до нуля,
условие его насыщения нарушается, и напряжение на нем возрастает,
что приводит к уменьшению напряжений на обмотках трансформатора
Т2. В этот момент напряжение на обмотках ТЗ (благодаря накопленной
в нем электромагнитной энергии) скачком изменяет свою полярность.
Смена полярности напряжений на обмотках ТЗ приводит к лави-
нообразному переключению транзисторов инвертора и смене поляр-
ности напряжения на обмотках Т2. Благёдаря этому, в таких инверто-
рах коммутационные перегрузки мощных транзисторов отсутствуют.
Уменьшению коммутационных потерь способствует и пропорцио-
нально-токовое управление за счет специального отвода обмотки II
трансформатора ТЗ. При пропорционально-токовом управлении тран-
зистор к моменту выключения автоматически выводится из состояния
насыщения, что приводит к уменьшению времени рассасывания.
Запуск схемы осуществляется с помощью релаксационного генера-
тора на транзисторе VT2, работающем в лавинном режиме. При вклю-
чении питания через резистор R10 начинает заряжаться конденсатор
С2, и когда напряжение на нем достигает 50—70 В, транзистор VT2
лавинообразно открывается и конденсатор С2 разряжается. Импульс
тока открывает транзистор VT4 и запускает преобразователь.
Элементная база и аналоги. В преобразователе можно использо-
вать транзисторы КТ809, КТ826, КТ854,2Т856,2Т862, КТ847, т. е. высоко-
вольтные транзисторы, имеющие время рассасывания не более 3 мкс.
Конденсаторы С5, С6, С7, С8 типа К73-17 на напряжение 630 В.
Конденсатор СЗ типа К5О-35 на 16 В. Тиристор VS1 можно заменить на
КУ202Л (М).
Моточные элементы. Моточные данные трансформаторов приве-
дены в табл. 4.4.
Фильтр питания (Т1) можно выполнить на кольце М2000НМ1 типо-
размера К20х10х5, его обмотки содержат 20 витков провода МГТФ-0,5.
Этим же проводом мотают и дополнительный виток обмотки II транс-
форматора Т2. Обмотку I трансформатора Т2 отделяют от остальных
обмоток трехслойной изоляцией из лакоткани.
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
239
Моточные данные трансформаторов
Таблица 4.4
Трансформатор
Т1
Т2
ТЗ
Номер обмотки
1
II
1
II
III
1
II
III
Кол-во витков
20
20
100
40
3
10
4+1
4
Диаметр провода, мм
0,5
0.5
0,41
0,69
0,3
0,3
0,3
0,3
Сердечник
М2000НМ
К2О*1Ос5
М2000НМ
К38*24*7
М2000НМ
К10*6*4,5
Подробное описание схемы и пример расчета трансформатора на
другие выходные напряжения приводится в [99].
Импульсные источник и питания -220 В /=18 В (=5 В)
(AC-DC Step-Down ~220/=18 V (=5 V))
Описываемое устройство обеспечивает исключительно высокий КПД
преобразования, допускает регулирование выходного напряжения и его
стабилизацию, устойчиво работает при вариации мощности нагрузки.
Интересен и незаслуженно мало распространен этот вид преобразова-
телей — квазирезонансный, который в значительной мере избавлен от
недостатков других популярных схем.
Идея создания такого преобразователя не нова, но практическая реа-
лизация стала целесообразной сравнительно недавно, после появления
мощных высоковольтных транзисторов, допускающих значительный
импульсный ток коллектора п$и напряжении насыщения около 1,5 В.
Главная отличительная особенность и основное преимущество этого
вида источника питания — высокий КПД преобразователя напряжения,
достигающий 97—98% без учета потерь на выпрямителе вторичной
цепи, которые, в основном, определяет ток нагрузки.
От обычного импульсного преобразователя, у которого к моменту
закрывания переключательных транзисторов ток, протекающий через
них, максимален, квазирезонансный отличается тем, что к моменту
закрывания транзисторов их коллекторный ток близок к нулю. Причем
уменьшение тока к моменту закрывания обеспечивают реактивные
элементы устройства.
От резонансного он отличается тем, что частота преобразования не
определяется резонансной частотой коллекторной нагрузки. Благодаря
этому можно регулировать выходное напряжение изменением частоты
преобразования и реализовывать стабилизацию этого напряжения.
Поскольку к моменту закрывания транзистора реактивные элементы
снижают до минимума ток коллектора, базовый ток также будет мини-
240
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
С1...СЗ.С6
0,047мк
400 В
С4+
47мк=
350 В
VD1...VD4
КД209В
С1
L1
• L2
СЗ
VD7
Т9 КД213А
■III
-W-
С8
:5ОМК
25 В
со
VD8
КД213А
п С7
+ VD6 =4= 0,047 мк
Zi 400B
Рис. 4.19. Схема автогенераторного нестабилизированного блока питания
мальным и, следовательно, время закрывания транзистора уменьша-
ется до значения времени его открывания. Таким образом, полностью
снимается проблема сквозного тока, возникающего при переключении.
Примеры реализации таких преобразователей представлены
ДАЛЕЕ на рис. 4.19 и 4.20.
Схема (рис. 4.19) представляет собой автогенераторный нестаби-
лизированный источник питания с аналоговыми стабилизаторами на
различные значения напряжения. Описанное устройство было разра-
ботано для использования совместно с аналоговыми стабилизаторами
на различные значения напряжения, поэтому потребности в глубоком
подавлении пульсаций на выходе блока не возникало.
Характеристики. Напряжение на выходе при сопротивлении
нагрузки 8 Ом — 18 В. Рабочая частота преобразователя — 20 кГц.
Максимальная выходная мощность — 55 Вт. Максимальная амплитуда
пульсации выходного напряжения с рабочей частотой — 1,5 В. Общий
КПД блока-92%.
Схема. Принципиальная схема автогенераторного нестабилизиро-
ванного блока питания показана на рис. 4.19.
Основная доля потерь мощности в блоке падает на нагревание
выпрямительных диодов вторичной цепи, а КПД самого преобразова-
теля таков, что нет необходимости в теплоотводах для транзисторов.
Мощность потерь на каждом из них не превышает 0,4 Вт. Специального
отбора транзисторов по каким-либо параметрам также не требуется. При
замыкании выхода или превышении максимальной выходной мощности
генерация срывается, защищая транзисторы от перегревания и пробоя.
Фильтр, состоящий из конденсаторов С1—СЗ и дросселя LI, L2, пред-
назначен для защиты питающей сети от высокочастотных помех со
стороны преобразователя. Запуск автогенератора обеспечивает цепь
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания
241
VD8 L4
Т9КД213А ЗОмкГн
Т2
VD1...VD4
С1...СЗ КД209В
0,047 мк
400 В
C11J_ R6
51"Г100к
Рис. 4.20. Схема стабилизированного источника питания
на основе квазирезонансного преобразователя
R4, С6 и конденсатор С5. Генерация колебаний происходит в резуль-
тате действия положительной ОС через трансформатор Т1, а частоту их
определяют индуктивность первичной обмотки этого трансформатора
и сопротивление резистора R3 (при увеличении сопротивления частота
увеличивается).
Обмотка IV трансформатора Т1 предназначена для пропорцио-
нально-токового управления транзисторами. Легко видеть, что мощ-
ный разделительный трансформатор Т2 и цепи управления пере-
ключательными транзисторами (трансформатор Т1) разделены, что
позволяет значительно ослабить влияние паразитной емкости и индук-
тивности трансформатора Т2 на формирование базового тока транзи-
сторов. Диоды VD5 и VD6 ограничивают напряжение на конденсаторе
С7 в момент запуска преобразователя, пока конденсатор С8 заряжается
до рабочего напряжения.
Элементная база. Дроссели LI, L2 и трансформатор Т1 наматывают
на одинаковых кольцевых магнитопроводах К12*8хЗ из феррита 2000НМ.
Обмотки дросселя выполняют одновременно, «в два провода», проводом
242 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
ПЭЛШО-0,25; число витков — 20. Обмотка I трансформатора Т1 содер-
жит 200 витков провода ПЭВ-2-0,1, намотанных внавал, равномерно по
всему кольцу. Обмотки II и III намотаны «в два провода» — 4 витка про-
вода ПЭЛШО-0,25; обмотка IV представляет собой виток такого же про-
вода. Для трансформатора Т2 использован кольцевой магнитопровод
К28х16*9 из феррита 3000НН. Обмотка I содержит 130 витков провода
ПЭЛШО-0,25, уложенных виток к витку. Обмотки II и III — по 25 витков
провода ПЭЛШО-0,56; намотка — «в два провода», равномерно по кольцу.
Дроссель L3 содержит 20 витков провода ПЭЛШО-0,25, намотанных
на двух, сложенных вместе кольцевых магнитопроводах К12*8хЗ из
феррита 2000НМ. Диоды VD7, VD8 необходимо установить на теплоот-
воды площадью рассеяния не менее 2 см каждый.
Схема (рис. 1.28) также представляет собой квазирезонансный пре-
образователь. Пульсации в данной схеме уменьшены до необходимого
уровня за счет обычного в таких случаях LC-фильтрами.
Характеристики. Номинальное выходное напряжение — 5 В.
Максимальный выходной ток — 2 А. Максимальная амплитуда пульса-
ции — 50 мВ. Изменение выходного напряжения (при изменении тока
нагрузки от 0,5 до 2 А и напряжения сети от 190 до 250 В) — не более
150 мВ. Максимальная частота преобразования — 20 кГц.
Схема. Принципиальная схема стабилизированного источника
питания на основе квазирезонансного преобразователя представлена
на рис. 4.20.
Выходное напряжение стабилизируется соответствующим изме-
нением рабочей частоты преобразователя. Как и в предыдущем
блоке, мощные транзисторы VT1 и VT2 в теплоотводах не нуждаются.
Симметричное управление этими транзисторами реализовано с помо-
щью отдельного задающего генератора импульсов, собранного на
микросхеме DD1. Триггер DD1.1 работает в собственно генераторе.
Импульсы имеют постоянную длительность, заданную цепью R7,
С12. Период же изменяется цепью ОС, в которую входит оптрон U1,
так что напряжение на выходе блока поддерживается постоянным.
Минимальный период задает цепь R8, С13. Триггер DD1.2 делит частоту
следования этих импульсов на два, и напряжение формы «меандр» пода-
ется с прямого выхода на транзисторный усилитель тока VT4, VT5. Далее
усиленные по току управляющие импульсы дифференцирует цепь R2, С7,
а затем, уже укороченные до длительности примерно 1 мкс, они посту-
пают через трансформатор Т1 в базовую цепь транзисторов VT1, VT2
преобразователя. Эти короткие импульсы служат лишь для переключе-
ния транзисторов — закрывания одного из них и открывания другого.
Базовый ток открытого управляющим импульсом транзистора под-
держивает действие положительной ОС по току через обмотку IV транс-
Глава 4. Схемотехника импульсных источников питания 243
форматора Т1. Резистор R2 служит также для демпфирования паразит-
ных колебаний, возникающих в момент закрывания выпрямительных
диодов вторичной цепи, в контуре, образованном межвитковой емко-
стью первичной обмотки трансформатора Т1, дросселем L3 и конден-
сатором С8. Эти паразитные колебания могут вызывать неуправляемое
переключение транзисторов VT1, VT2. Описанный вариант управления
преобразователем позволяет сохранить пропорционально-токовое
управление транзисторами и, в то же время, регулировать частоту их
переключения с целью стабилизации выходного напряжения.
Кроме того, основная мощность от генератора возбуждения потребля-
ется только в моменты переключения мощных транзисторов, поэтому
средний ток, потребляемый им, мал и не превышает 3 мА с учетом тока
стабилитрона VD5. Это и позволяет питать его прямо от первичной сети
через гасящий резистор R1. Транзистор VT3 является усилителем напря-
жения сигнала управления, как в компенсационном стабилизаторе.
Коэффициент стабилизации выходного напряжения блока прямо пропор-
ционален статическому коэффициенту передачи тока этого транзистора.
Примечание.
Применение транзисторного оптрона U1 обеспечивает надеж-
ную гальваническую развязку вторичной цепи от сети и высокую
помехозащищенность по входу управления задающего генератора.
После очередного переключения транзисторов VT1, VT2 начинает
подзаряжаться конденсатор £10 и напряжение на базе транзистора
VT3 начинает увеличиваться, щмлекторный ток тоже увеличивается. В
результате открывается транзистор оптрона, поддерживая в разряжен-
ном состоянии конденсатор С13 задающего генератора. После закры-
вания выпрямительных диодов VD8, VD9 конденсатор СЮ начинает
разряжаться на нагрузку и напряжение на нем падает. Транзистор VT3
закрывается, в результате чего начинается зарядка конденсатора С13
через резистор R8. Как только конденсатор зарядится до напряжения
переключения триггера DD1.1, на его прямом выходе установится высо-
кий уровень напряжения. В этот момент происходит очередное пере-
ключение транзисторов VT1, VT2, а также разрядка конденсатора С13
через открывшийся транзистор оптрона.
Начинается очередной процесс подзарядки конденсатора СЮ, а
триггер DD1.1 через 3—4 мкс снова вернется в нулевое состояние бла-
годаря малой постоянной времени цепи R7, С12, после чего весь цикл
управления повторяется, независимо от того, какой из транзисторов —
VT1 или VT2 — открыт в текущий полупериод. При включении источ-
ника, в начальный момент, когда конденсатор СЮ полностью разряжен,
тока через светодиод оптрона нет, частота генерации максимальна и
244 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
определена в основном постоянной времени цепи R8, С13 (постоянная
времени цепи R7, С12 в несколько раз меньше). При указанных на схеме
номиналах этих элементов эта частота будет около 40 кГц, а после ее
деления триггером DD1.2 — 20 кГц. После зарядки конденсатора СЮ
до рабочего напряжения в работу вступает стабилизирующая петля
ОС на элементах VD10, VT3, U1, после чего и частота преобразования
уже будет зависеть от входного напряжения и тока нагрузки. Колебания
напряжения на конденсаторе СЮ сглаживает фильтр L4, С9.
Элементная база. Дроссели LI, L2 намотаны на одинаковых кольце-
вых магнитопроводах К12*8*3 из феррита 2000НМ. Обмотки дросселя
выполняются одновременно, «в два провода», проводом ПЭЛШО-0,25;
число витков — 20.
Дроссель L3 содержит 20 витков провода ПЭЛШО-0,25, намотанных
на двух, сложенных вместе кольцевых магнитопроводах К12*8х3из
феррита 2000НМ.
Дроссель L4 содержит 25 витков провода ПЭВ-2-0,56, намотанных
на кольцевой магнитопровод К12><6*4,5 из феррита 100НН1. Подойдет
также любой готовый дроссель индуктивностью 30—60 мкГн на ток
насыщения не менее 3 А и рабочую частоту 20 кГц.
Трансформатор Т1 выполнен на двух сложенных вместе кольцевых
магнитопроводах К12х8*3 из феррита 2000НМ. Первичная обмотка
намотана внавал равномерно по всему кольцу и содержит 320 витков
провода ПЭВ-2-0,08. Обмотки II и III содержат по 40 витков провода
ПЭЛШО-0,15; их наматывают «в два провода». Обмотка IV состоит из
8 витков провода ПЭЛШО-0,25. Трансформатор Т2 выполнен на коль-
цевом магнитопроводе К28х16><9 из феррита 3000НН. Обмотка I — 120
витков провода ПЭЛШО-0,15, а II и III — по 6 витков провода ПЭЛШО-
0,56, намотанных «в два провода». Вместо провода ПЭЛШО можно
использовать провод ПЭВ-2 соответствующего диаметра, но при этом
между обмотками необходимо прокладывать два-три слоя лакоткани.
Все постоянные резисторы — МЛТ. Резистор R4 — подстроечный,
любого типа. Конденсаторы С1-С4, СИ - К73-17, С5, С6, С9, СЮ — К50-
24, остальные — КМ-6. Стабилитрон КС212К можно заменить на КС212Ж
илиКС512А.
Совет.
Диоды VD8, VD9 необходимо установить на радиаторы площадью
рассеяния не менее 20 см каждый. КПД обоих блоков можно повы-
сить, если вместо диодов КД213А использовать диоды Шоттки,
например, любые из серии КД2997. В этом случае теплоотводы
для диодов не потребуются.
Подробное описание схемы приводится в [88].
ГЛАВА 5
СХЕМОТЕХНИКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
5.1. Принцип действия преобразователей
постоянного напряжения в постоянное
В радиолюбительской практике иногда требуется получить из одного
постоянного напряжения другое. Если для снижения напряжения
можно решить проблему с помощью гасящих резисторов или делителей
напряжения, то в остальных случаях — понадобится преобразователь
постоянного напряжения в постоянное (DC-DC конвертер). А может
потребоваться преобразователь однофазного напряжения в трехфазное
для питания трехфазного электродвигателя. И в этом случае без преоб-
разователя не обойтись.
Структура DC-DC конвертера (преобразователя напряжения)
представлена на рис. 5.1. Входное напряжение U питает генератор,
вырабатывающий переменное напряжение. Это напряжение чаще всего
бывает или прямоугольной фор^ы, или импульсное.
Затем следует трансформатор, повышающий напряжение до необ-
ходимой величины.
Далее нужно получить постоянное выходное напряжение U. Для
этого устанавливают выпрямитель. Часть выпрямленного напряжения
может использоваться для управления параметрами генератора, а зна-
чит, стабилизации работы преобразователя.
Различных типов преобразователей очень много, но всегда стре-
мятся получить максимальный КПД, чтобы не расходовать зря энергию
питающих батарей или аккумуля- трансформатор
ТОрОВ. +0
«Классический» двухтактный
автогенераторный преобразо-
ватель представлен на рис. 5.2. ' г
Генератор
Выпрямитель
Увых
Схема ПОЗВОЛЯеТ СОеДИНИТЬ КОЛ- Цепь стабилизации
лекторы транзисторов С общим Рис. 5.1. Структурная схема DGDC
проводом, т. е. устанавливать тран- конвертера
246
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
С1
|4,7мкх15В
12,6 В
VD1-VD4
КД105Б
■■-L
VT2 -L
КТ814
R4..68
•0-
4,7мкх15В
Рис. 5.2. Схема двухтактного
автогенераторного преобразователя
зисторы на шасси без
изоляции, чтобы оно
и служило радиатором
(вывод коллектора боль-
шинства мощных тран-
зисторов соединен с
корпусом).
Желательно, чтобы и
транзисторы работали в
таком же режиме, кото-
рый называется ключе-
вым. Транзистор дол-
жен быстро открываться
до насыщения и также
быстро и полностью
закрываться. Тогда рас-
сеиваемая на нем мощность будет небольшой, а КПД всего преобразова-
теля — максимальным.
Плюсовое напряжение низковольтного источника подается на
эмиттеры транзисторов через секции I и I симметричной первичной
обмотки. Для возбуждения колебаний служат дополнительные секции
обратной связи 1 и 1, через которые протекает только относительно
небольшой базовый ток транзисторов.
Делители напряжения R1R2 и R3R4 подают на базы транзисторов
небольшое начальное смещение, обеспечивающее «запуск» преобразо-
вателя. Конденсаторы С1 и С2 ускоряют процесс переключения, повы-
шая КПД преобразователя.
Примечание.
После запуска резисторы Rl uR3 можно отключить.Преобразователь
продолжит работу и даже несколько возрастет КПД. В некоторых
конструкциях делают специальную кнопку запуска, подключающую
один из резисторов только при «старте». Преобразователь с кноп-
кой не боится коротких замыканий на выходе: колебания срываются,
и ток через транзисторы не протекает, поскольку нет напряжения
смещения.
Повышенное напряжение с обмотки И трансформатора выпрямля-
ется мостом из диодов VD1—VD4 и сглаживается конденсатором СЗ.
Частота генерации получилась около 4 кГц, ток, потребляемый пре-
образователем на холостом ходу, не превосходит 0,25 А.
Преобразователь без трансформатора. Если напряжение надо
повысить всего в 2—3 раза, можно обойтись без трансформатора,
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
247
VD4
Рис. 5.3. Схема бестрансформаторного
преобразователя
—т 0+
VD1 J_C2 ивых
К1_522Б~Г0,1мк 0-
UkA
VT1
КТ201Б
используя умножитель напряжения
(рис. 5.3). Он особенно удобен, если
в устройстве уже есть генератор сим-
метричных прямоугольных колеба-
ний («меандра»). Эти колебания с
размахом от 0 до U подают на базы
двухтактного эмиттерного повто-
рителя на транзисторах VT1, VT2.
Транзисторы должны обеспечивать
ток, превышающий ток нагрузки
преобразователя во столько раз,
во сколько необходимо умножить
напряжение.
Выходное прямоугольное напря-
жение подается на умножитель,
включенный последовательно с
источником питания.
После первых двух диодов умно-
жителя получается удвоенное
напряжение питания 2U (удобно использовать для получения напряже-
ния 24 В при 12-вольтовом питании). Каскадов умножения может быть
и больше. Емкость конденсаторов Cl, C2 и т. д. зависит от частоты и
тока нагрузки, она должна быть такой, чтобы не наблюдалось заметного
спада вершин прямоугольных импульсов.
Маломощные высоковольтные преобразователи. В генераторе
такого преобразователя (рис. 5.4) целесообразно использовать бло-
кинг-генератор.
На коллекторе сформируется положительный импульс напряжения,
превосходящий иногда в десятки раз напряжение питания U. На повы-
шающей обмотке трансформатора III этот импульс будет еще больше, и
его остается только выпрямить диодом VD1.
В этом устройстве надо использовать транзисторы с достаточно
высоким допустимым коллекторным напряжением. Для защиты тран-
зистора от случайного пробоя (например, при отключении нагрузки)
параллельно первичной обмотке подключают стабилитрон или даже
неоновую лампу.
Рис. 5.4. Схема маломощного
высоковольтного преобразователя
248
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
5.2. Лучшие конструкции преобразователей
постоянного напряжения в постоянное
Преобразователь напряжения 2 В в 5 В (DC-DC Step-Up 2/5 V)
Назначение. Обеспечение устройств на цифровых микросхемах
и микропроцессорах с автономным питанием стабилизированным
напряжением 5 В.
Особенности. В устройствах на цифровых микросхемах и микро-
процессорах с автономным питанием батареи гальванических элемен-
тов должны обеспечить стабилизированное напряжение 5 В. Достигнуть
этого простейшим способом — использованием шести элементов по
1,5 В и интегрального стабилизатора КР142ЕН5А — невыгодно как энер-
гетически, так и экономически. Предлагаемый несложный стабилизи-
рованный преобразователь позволяет получить напряжение 5 В при
токе нагрузки до 120 мА. Его входной напряжение может находиться
в пределах 2—3,5 В (два гальванических элемента). КПД при входном
напряжении 3 В и максимальном токе нагрузки — приблизительно 75%.
Характеристики. Стабилизированное выходное напряжение — 5 В
при токе нагрузки до 120 мА.
Схема. Принципиальная схема преобразователя показана на
рис. 5.5.
На транзисторе VT2 собран блокинг-генератор. Обмотка I транс-
форматора Т1 выполняет также функцию накопительного дросселя, а
с обмотки II на базу транзистора VT2 поступает сигнал положительной
обратной связи. Импульсы, возникающие на коллекторе этого транзи-
стора, через диод VD1 заряжают конденсаторы С4, С5, напряжение на
которых и является выходным. Оно зависит от частоты повторения и
скважности импульсов блокинг-генератора, которые, в свою очередь,
зависят от коллекторного тока транзистрра VT1, перезаряжающего кон-
денсатор СЗ в интервалах между импульсами.
После того, как на блокинг-генератор подано напряжение питания,
и по мере зарядки конденсатора С2 через резистор R1, увеличиваются
2...3,5 В Т1
Рис. 5.5. Схема низковольтного преобразователя напряжения
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное 249
коллекторный ток транзистора VT1, частота генерируемых импульсов и
выходное напряжение преобразователя. Но как только последнее пре-
высит сумму напряжений стабилизации стабилитрона VD2 и откры-
вания транзистора VT3, часть тока, протекающего через резистор R1 и
базу транзистора VT1, ответвится в коллекторную цепь открывшегося
транзистора VT3. Это приведет к уменьшению частоты импульсов.
Таким образом, выходное напряжение будет стабилизировано.
Подстроечный резистор R3 позволяет установить его равным 5 В.
Транзистор VT2 — КТ819 с любым буквенным индексом, КТ805А или
КТ817 также с любым индексом. В последнем случае выходная мощность
преобразователя будет немного меньше. КПД устройства повысится, если
в качестве VD1 применить германиевый диод Д310. Трансформатор Т1
изготовлен из дросселя ДПМ-1,0 индуктивностью 51 мкГн. Имеющаяся на
нем обмотка использована в качестве первичной. Поверх нее намотана
обмотка обратной связи (II) из 14 витков провода диаметром 0,31 мм в
эмалевой изоляции. Конденсатор СЗ должен быть металлопленочным
серий К71, К78. Керамический конденсатор здесь нежелателен из-за низ-
кой температурной стабильности. К типам остальных деталей устройство
некритично. Преобразователь смонтирован на плате из двухстороннего
фольгированного стеклотекстолита. Фольга на одной из сторон платы
оставлена нетронутой и служит общим проводом.
Подробное описание схемы приводится в [49].
Преобразователь напряжения 9 В в 400 В
(DC-DC Step:Up 9/400 V)
Назначение. Простой высокоэффективный преобразователь посто-
янного напряжения.
Характеристики. Преобразователь обеспечивает несколько милли-
ампер тока напряжением 400—425 В при потребляемом токе 80—90 мА
от источника 9 В.
Схема. Принципиальная схема приведена на рис. 5.6. Она содержит
минимум элементов, На таймере типа 555 выполнен мультивибратор на
частоту 14 кГц. КПД устройства сильно зависит от добротности катушки
индуктивностью 1 мГн.
Описание схемы приводится в [129].
Преобразователь напряжения 3-12Вв9В
(DC-DC Step-Up/Down 3-12/9 V)
Назначение. Питание портативной радиоаппаратуры, работающей
от батарей.
250
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
+9 В
ОВо-ч
1000 мкГн
4 8
NE555
_ 220 мк
"16В
1 5
6
2 (
н
= 0,01 мк =
IRF710
т
3^^
= 0,01 мк
1N4007
С
и
4,7 мк +
450 В-
400 В
о
Рис. 5.6. Схема преобразователь напряжения с9Вдо 400 В
Особенности. Это преобразователь с широтно-импульсной стаби-
лизацией. Стабилизация сохраняется при уменьшении напряжения
источника питания ниже выходногр стабилизированного напряжения
преобразователя, чего не может обеспечить традиционный стабилиза-
тор напряжения.
Характеристики. КПД стабилизатора — не менее 70%.
Схема. Принципиальная схема представлена на рис. 5.7. Рассмотрим
ее работу. При включении преобразователя ток через резистор R1
открывает транзистор VT1, коллекторный ток которого, протекая через
обмотку II трансформатора Т1, открывает мощный транзистор VT2.
Транзистор VT2 входит в режим насыщения, и ток через обмотку I
трансформатора линейно увеличивается. В трансформаторе происхо-
дит накопление энергии.
Через некоторое время транзистор VT2 переходит в активный режим,
в обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндукции, полярность
которой противоположна приложенному к ним напряжению (магни-
топровод трансформатора не насыщается). Транзистор VT2 лавиноо-
бразно закрывается, и ЭДС само-
индукции обмотки I через диод
VD2 заряжает конденсатор СЗ.
Конденсатор С2 способствует
более четкому закрыванию тран-
зистора. Далее циклы повторя-
ются.
Через некоторое время напря-
жение на конденсаторе СЗ увели-
чивается настолько, что открыва-
ется стабилитрон VD1 и базовый
ток транзистора VT1 уменына-
+
см
i
Jnm
С1
= 50мк
25 В
С2 (
0,01 мД
II
II
*
VT1
КТ208М<
СЗ
100 мк =
10В
tVD1 -
^Д814В ^
1 KT819BV
К нагрузке
Uctab=9B
=
+
i
->- +
Т1
Рис. 5.7. Схема преобразователя
напряжения с ШИ модуляцией
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
251
ется, при этом уменьшается и ток базы, а, значит, и ток насыщения
транзистора VT2. Поскольку накопленная в трансформаторе энергия
определяется током насыщения транзистора VT2, дальнейшее увели-
чение напряжения на конденсаторе СЗ прекращается. Конденсатор раз-
ряжается через нагрузку. Таким образом, обратная связь поддерживает
на выходе преобразователя постоянное напряжение. Выходное напря-
жение задает стабилитрон VD1. Изменение частоты преобразования
лежит в пределах 20—140 кГц.
Описание схемы приводится в [129].
Преобразователь напряжения 5-15Вв10-30В
(DC-DC Step-Up 5-15 /10-30 V)
Назначение. Удвоение напряжения 5—15 В до 10—30 В.
Характеристики. Входное напряжение — 5—15 В. Выходное напря-
жение — 10—30 В. Ток нагрузки — до 2 А.
Схема. На рис. 5.8 приведена принципиальная схема удвоителя
напряжения. В основу преобразователя положен генератор импульсов
на логическом элементе DD1.1, охваченном цепью обратной связи R1,
Cl, R2, которая задает частоту генерации. Вырабатываемые генерато-
ром импульсные сигналы в противофазе поступают на входы логиче-
ских элементов DD1.3 и DD1.4, управляющих мощными ключевыми
транзисторами VT1 nVT2.
Для исключения возможности короткого замыкания источника
питания во время их переключения на вторые входы элементов DD1.3
(через инвертор DD1.2) и DD1.4 Поступают импульсы, задержанные
примерно на четверть периода интегрирующей цепью R3, С2. Благодаря
этому открывающие импульсы (отрицательной полярности относи-
тельно эмиттеров) на базах транзисторов оказываются разнесенными
во времени, и сквозной ток через оба транзистора исключается.
Вход(+5...15В)
Выход(+10...30В,1Н<2А)
Рис. 5.8. Схема мощного бестрансформаторного удвоителя напряжения
252 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Если открыт транзистор VT2, конденсатор СЗ заряжается через диод
VD1 до напряжения источника питания. Через полпериода открывается
транзистор VT1, конденсатор СЗ оказывается включенным последо-
вательно с источником, и конденсатор С4 через диод VD2 заряжается
практически до удвоенного напряжения питания. ИМС CD4093 можно
заменить на К561ТЛ1.
Элементная база. Транзисторы следует применять из серии КТ825
и диоды серии КД212. Для снижения уровня пульсаций при максималь-
ных токах нагрузки емкость конденсаторов СЗ и С4 желательно увели-
чить до 10 мкФ и, кроме того, параллельно конденсатору С4 включить
пленочный или керамический емкостью 0,1—1 мкФ.
Подробное описание схемы приводится в [87].
Преобразователь напряжения 6-9 В в 20 В
(DC-DC Step-Up 6-9/20 V)
Назначение. Повышение напряжения примерно до 20 В при исполь-
зовании варикапов в переносных приёмниках с питанием от источни-
ков напряжением 6—9 В.
Особенности. Большинство описанных на страницах радиолюби-
тельских журналов преобразователей напряжения мало подходят для
использования в переносных приемниках, поскольку требуют приме-
нения повышающих трансформаторов и стабилитронов Д814 с мини-
мальным током стабилизации 3 мА, что усложняет их изготовление и
снижает экономичность.
Схема. Этих недостатков нет у преобразователя, схема которого при-
ведена на рис. 5.9. Он не содержит намоточных деталей, экономичен и
прост в налаживании. Преобразователь состоит из генератора прямо-
угольных импульсов на микросхеме DD1, умножителя напряжения на
диодах VD1—VD6 и конденсаторах СЗ—С8, параметрического стабили-
затора напряжения на транзисторах VT1—VT3.
В качестве стабилитронов используются эмиттерные переходы тран-
зисторов. Режим стабилизации наступает при токе 5—10 мкА.
Аналоги. Помимо указанных на схеме, в преобразователе
можно использовать микросхемы К176ЛЕ5 и К176ЛА9, транзисторы
КТ315, КТ316 с любым буквенным индексом, диоды Д9А, Д9В, Д9Ж.
Конденсаторы С1-С7 - КЛС или КМ, С8 - К50-6 или К50-3, резисторы
МЛТ или ВС. Налаживание преобразователя сводится к подбору транзи-
сторов VT1—VT3 с требуемым напряжением стабилизации. При изме-
нении напряжения питания приемника от 6,5 до 9 В потребляемый пре-
образователем ток увеличивается с 0,8 до 2,2 мА, а выходное напряже-
ние — не более чем на 8—10 мВ.
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
253
KBbiB.14DD1
+6...9 В
VT3
КТ315В
Рис. 5.9. Схема экономичного преобразователя напряжения с 6-9 В до 20 В
для питания варикапов
Совет.
При необходимости выходное напряжение преобразователя
можно повысить, увеличив число звеньев умножителя напряжения
и число транзисторов в стабилизаторе.
Описание схемы приводится в [129].
Преобразователь напряжения с 9 В до 16 В
(DC-DC Step-Up 9/16 V)
Назначение. Преобразование напряжения с 9 В до 16 В для питания
радиоэлектронной аппаратуры.
Схема. Преобразователь (рис. 5.10) состоит из экономичного задаю-
щего генератора прямоугольных импульсов, собранного на микросхеме
DD1, и выходного усилителя мощности на транзисторах VI—V4. Частота
задающего генератора — примерно 10 кГц. Амплитуда прямоугольных
импульсов на выходе задающего генератора практически равна напря-
жению источника питания преобразователя.
DD1.1
V2
КТ361Б
Рис. 5.10. Схема бестрансформаторного преобразователя напряжения с 9 В до 16 В
254 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Поэтому в течение одного полупериода транзисторы VI и V4 насы-
щены, a V2 и V3 закрыты, а конденсатор СЗ быстро заряжается через
насыщенный транзистор V4 и диод V5 до напряжения, почти равного
напряжению питания. Точно также в течение другого полупериода
заряжается конденсатор С4 через насыщенный транзистор V3 и диод
V6. На конденсаторе С5 происходит сложение напряжений на конден-
саторах СЗ и С4.
Благодаря относительно высокой частоте преобразования уро-
вень пульсаций выходного напряжения получается очень небольшим.
Без нагрузки преобразователь потребляет ток около 5 мА, а выходное
напряжение приближается к 18 В. При токе нагрузки 120 мА выходное
напряжение уменьшается до 16 В при уровне пульсаций 20 мВ. КПД
преобразователя — около 85%, выходное сопротивление — около 10 Ом.
Совет.
Если необходимо, чтобы работоспособность преобразователя
сохранялась при уменьшении'Цапряжения питания до 5 В, следует
заменить резисторы R3 и R4 Ьругими, сопротивлением 1,5 кОм.
Аналоги. Вместо указанных на схеме, в преобразователе можно
использовать любые транзисторы серий КТ315 и КТ361 со статическим
коэффициентом передачи тока не менее 50. Диоды Д312 можно заме-
нить на Д310, Д311 или любыми из серии Д7. Вместо К176ЛА7 можно
применить микросхему К176ЛЕ5.
Наладка. Правильно собранный преобразователь начинает работать
сразу и в налаживании не нуждается.
Описание схемы приводится по [129].
Преобразователь напряжения с 12 В до 30 В
(DC-DC Step-Up 12/30 V)
Назначение. Обеспечение питания 30 В для отдельных устройств в
конструкциях с основным питанием 12 В.
Особенности. В современных радиолюбительских конструкциях
с универсальным питанием (от сети и от батарей) напряжение пита-
ния обычно не превышает 12 В. Между тем, для некоторых электрон-
ных приборов, используемых в таких устройствах (например, вакуум-
ных люминесцентных индикаторов), рабочее напряжение несколько
выше — до 30 В.
Для эффективного использования многих типов варикапов также
желательно подавать на них управляющие напряжения до 20—30 В.
Получить такие напряжения в конструкциях с низковольтным пита-
нием можно с помощью преобразователя напряжения.
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
255
+12В
юоо
Рис. 5.11. Схема преобразователя напряжения
с 12 В до 30 В, построенного на NE555 или
КР1006ВИ1
Схема. Принципиальная схема преобразователя приведена на
рис. 5.11. Для получения высоковольтных импульсов он использует
накопительный дроссель. На таймере DA1 собран генератор импуль-
сов с частотой повторения
около 40 кГц (она опреде-
ляется сопротивлением
резисторов Rl, R2 и емко-
стью конденсатора С1).
Эти импульсы посту-
пают на транзистор VT1,
работающий в режиме
переключения. Когда он
открыт, в катушке индук-
тивности L1 накапливается
энергия за счет протекаю-
щего через VT1 тока. Когда транзистор закрывается, на катушке L1 воз-
никает импульс напряжения, амплитуда которого в несколько раз превы-
шает напряжение питания (в авторской конструкции она была около 80 В).
Эти импульсы напряжения выпрямляются диодом VD1, а выпрямленное
напряжение фильтруется, а затем стабилизируется стабилитроном VD2.
Элементная база. Транзистор VT1 желательно подобрать из числа
предназначенных для использования в переключающих схемах. Он, в
частности, должен иметь высокое допустимое напряжение коллектор-
эмиттер (не ниже 100 В). Высокое, обратное допустимое напряжение
должен иметь и диод VD1.
Стабилитрон VD2 — малой мощности на требуемое выходное напря-
жение (в авторской конструкции — на 30 В). Таймер DA1 имеет аналог
отечественного производства — КР1006ВИ1. Подробной информации о
катушке индуктивности в первоисточнике нет. Отмечается лишь, что
она выполнена на незамкнутом броневом магнитопроводе из матери-
ала с высокой начальной магнитной проницаемостью медным прово-
дом диаметром 0,1 мм.
Наладка. При налаживании конструкции может возникнуть необ-
ходимость подобрать резистор R3 по наибольшему выпрямленному
напряжению.
Подробное описание схемы приводится в [3].
Преобразователь напряжения 4,5-9 В в 18-27 В
(DC-DC Step-Up 4,5-9 /18-27 V)
Назначение. Повышение напряжения до 24—27 В для питания
радиоуправляемой модели.
256 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Характеристики. Входное напряжение — 4,5—9 В. Выходное напря-
жение — 18—27 В. Ток нагрузки номинальный — 500 мА. КПД преобра-
зователя с полной нагрузкой — 85%.
Особенности. Бортовые источники питания радиоуправляемых
моделей имеют, как правило, номинальное напряжение 4,5—12 В.
Высококачественные электродвигатели на такое напряжение бывают
в продаже довольно редко и по немалой цене. В то же время ассорти-
мент доступных электродвигателей на напряжение 24—27 В достаточно
широк, но для них невозможно найти малогабаритный источник пита-
ния, поэтому необходим преобразователь напряжения.
D
Примечание.
Существенное преимущество использования электродвигателей
на повышенное напряжение - уменьшенный потребляемый ток,
что облегчает требования к транзисторам выходных каскадов
сервоприводов рулевых машинок и регуляторов хода. Повышается
КПД узлов управления двигателей, что экономит и без того огра-
ниченные энергетические ресурсу, имеющиеся на борту модели.
Описываемый преобразователь напряжения позволяет применять
электродвигатели с номинальным напряжением 24—27 В совместно с
аппаратурой радиоуправления. Для рулевых машинок моделей неплохо
подходят, например, двигатели серии ДПР с полым ротором, имеющие
малую инерционность при трогании с места и реверсировании. Как
автономное устройство, данный преобразователь напряжения можно
использовать и в других целях.
Схема. Принципиальная схема устройства изображена на рис. 5.12. Это
так называемый обратноходовой инвертор с широтно-импульсной
стабилизацией выходного напряжения, отличающийся высоким КПД.
При входном напряжении 4,5—9 В стабилизированное выходное
напряжение может быть установлено любым в пределах 18—27 В,
изменяясь не более чем на 0,1 В при увеличении тока нагрузки от 1 до
500 мА. Задающий генератор на элемента^ DD1.1 и DD1.2 вырабатывает
прямоугольные импульсы. На входы 8,9 элемента DD1.3 они поступают
продифференцированными цепью СЗ, R2, R3. Номиналы резисторов
выбраны с таким расчетом, что постоянная составляющая напряжения
в точке их соединения несколько превышает пороговый уровень, при
котором элемент DD1.3 изменяет свое состояние.
Отрицательные выбросы, пересекая порог, формируют на выходе
элемента DD1.3 (вывод 10) короткие положительные импульсы.
Последние заряжают конденсатор С5 через малое прямое сопротив-
ление участка база-эмиттер транзистора VT2. По окончании импульса
левая (по схеме) обкладка конденсатора С5 оказывается соединенной с
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
257
Рис.5.12. Схема преобразователя напряжения с 4,5-9 В до 18-27В
для радиоуправляемой модели
общим проводом, а напряжение, до которого зарядился конденсатор, —
приложенным к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности,
закрывая его. Далее начинается перезарядка конденсатора С5 коллек-
торным током транзистора VT1. Скорость этого процесса зависит от
напряжения на базе VT1.
Транзистор VT2 остается закрытым, пока напряжение на его базе не
достигнет приблизительно 0,8 В. В результате длительность положи-
тельных импульсов на коллекторе VT2 и входах 12,13 элемента DD1.4
зависит от режима работы транзистора VT1. Дважды проинвертирован-
ные элементом DD1.4 и транзистором VT3 импульсы открывают сило-
вой ключ — полевой транзистор VT4. При открытом транзисторе VT4
ток в катушке индуктивности L1 нарастает по линейному закону.
После закрывания транзистора этот ток не прерывается, продолжает
течь, спадая, через диод VD1 и заряжает накопительный конденсатор С8.
Установившееся напряжение на этом конденсаторе превышает напряже-
ние питания во столько раз, во сколько время накопления энергии в маг-
нитном поле катушки L1 превышает время ее передачи в конденсатор С8.
Часть выходного напряжения с движка подстроечного резистора R14
поступает на инвертирующий вход усилителя постоянного тока DA2. На
его неинвертирующий вход подано с резистивного делителя R4, R5 образ-
цовое напряжение. Выходное напряжение ОУ, пропорциональное разно-
сти образцового и входного (с учетом делителя R13, R14) напряжения,
поступает на базу транзистора VT1 и управляет длительностью импуль-
сов, открывающих транзистор VT4. Таким образом, образуется замкнутая
258 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
цепь автоматического регулирования. Если выходное напряжение снизи-
лось (например, в результате увеличения тока нагрузки), напряжение на
инвертирующем входе ОУ уменьшится, а на его выходе — увеличится. В
результате упадет эмиттерный ток транзистора VT1, протекающий через
резистор R8, а вместе с ним — и коллекторный. Конденсатор С5 будет
перезаряжаться медленнее. Длительность открытого состояния транзи-
стора VT4 возрастет, выходное напряжение преобразователя увеличится.
Напряжение питания основных узлов преобразователя стабилизиро-
вано интегральным стабилизатором DA1.
Элементная база и аналоги. Подстроечный резистор R14 — СПЗ-38Б
или РП1-63М. Остальные пассивные элементы — любого типа, подхо-
дящие по параметрам и габаритам. В качестве микросхемы DD1, кроме
К561ЛА7, можно использовать К561ТЛ1, другие микросхемы серии К561
при напряжении питания 3 В работают неустойчиво. По той же при-
чине не следует заменять микросхему К140УД608 (DA2) другими ОУ.
Транзисторы VT2, VT3 могут быть лк^ыми из серии КТ315 или КТ3102,
a VT1 — серий КТ361, КТ3107. КПД преобразователя заметно зависит от
падений напряжения на диоде VD1 и на открытом транзисторе VT4.
Совет.
Поэтому при подборе замены транзистору и диоду, указанным
выше, следует обращать особенное внимание на эти параметры,
выбирая приборы, у которых они минимальны.
Напряжение отсечки полевого транзистора должно быть не более 4 В.
Амплитудное значение коммутируемого им тока в рассматриваемом
случае значительно больше тока нагрузки, поэтому транзистор следует
выбирать с допустимым током стока не менее 6 А. Если под нагрузкой
транзистор VT4 заметно нагревается, его необходимо снабдить тепло-
отводом, место для которого на плате предусмотрено. Диод VD1 дол-
жен быть рассчитан на прямой ток не менее 10 А. Указанный на схеме
КД2996В можно заменить на КД213А» Катушка L1 индуктивностью
18—20 мкГн должна иметь малый магнитный поток рассеивания, поэ-
тому для нее выбран броневой магнитопровод Б26 из феррита М1500НМ.
Обмотку из пяти витков жесткого изолированного провода диаме-
тром 1,5—2 мм наматывают на оправке подходящего диаметра, сняв с
оправки, защищают слоем изоляционной ленты и помещают в магни-
топровод, Между его чашками необходим немагнитный зазор 0,2 мм.
Изоляционную прокладку соответствующей толщины укладывают
между центральными кернами. Это предотвращает поломку чашек при
стягивании магнитопровода винтом.
Чтобы уменьшить площадь платы, катушку L1 крепят к ней лежа-
щей на боку. Выводы обмотки вставляют в соответствующие отверстия
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
259
и припаивают к контактным площадкам. Конденсаторы С7 и С9 пока-
заны на схеме штриховыми линиями. Обычно в них нет необходимо-
сти, но если транзистор VT4 сильно греется, установка этих конденсато-
ров может помочь. Их емкость подбирают опытным путем. Приступая
к проверке собранного преобразователя, следует иметь в виду, что при
выходном напряжении 27 В и токе нагрузки 0,5 А первичный источник
питания напряжением 6 В должен быть рассчитан на ток не менее 2,5 А.
Перед первым включением преобразователя движок подстроечного
резистора R14 должен находиться в среднем положении, в дальнейшем
с его помощью устанавливают необходимое выходное напряжение.
Печатная плата. Устройство собрано на односторонней печатной
плате размерами 7ОЧ55 мм, показанной на рис. 5.13.
Подробное описание схемы приводится в [41].
R5
С6
С9
Рис. 5.13. Вид печатной платы
260
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Преобразователь напряжения 12 В в ±12 В
(DC-DC Step-Inverter 12 В /±12 V)
Назначение. Формирование двуполярного напряжения для питания
устройств с относительно небольшим числом ОУ (потребляющих ток до
100 мА).
Особенности. В процессе усовершенствования какого-либо готового
устройства часто бывает необходимо ввести в него один-два операци-
онных усилителя, что заставляет сразу же решать вопрос об их пита-
нии — ведь большинство распространенных ОУ нуждаются в двуполяр-
ном источнике питания. В подобных случаях выходом из положения
может послужить так называемый инвертор полярности — устрой-
ство, выходное постоянное напряжение которого равно входному, но с
обратной полярностью. Таким образом, имеющийся обычный источник
питания вместе с инвертором полярности заменяют двуполярным.
Особенностью устройства являйся использование в нем микро-
схемы К174УН7 (DA1) — усилителя мощности 34.
Характеристики. Инвертор обеспечивает выходной ток до 100 мА,
при этом потребляемый ток равен примерно 200 мА. В таком режиме
микросхема может работать без теплоотвода. При снижении входного
напряжения инвертора до 10 В максимальный выходной ток уменьша-
ется до 40 мА.
Схема. Принципиальная схема инвертора полярности изображена
на рис. 5.14, построенная на микросхеме К174УН7 (DA1), усилителя
мощности 34. Из-за сильной положительной обратной связи по пере-
менному напряжению через конденсатор С2 микросхема работает в
режиме генерации прямоугольных импульсов с частотой примерно
20 кГц. Амплитуда импульсов на выходе микросхемы — около 10 В.
Эти импульсы поданы на вход умножителя напряжения, собранного
на диодах VD1—VD4 и конденсаторах С4—С7. Выходное напряжение
умножителя стабилизирует параметрический стабилизатор R2, VD5 с
усилителем тока на транзисторе VT1.
DA1
VD4 КД522Б
С7
<л WVLM 10мк=±=
1О°^К+КД522Б 25 В
VVD5
iV Д814Д
^—'
У
VT1
КТ814А
Выход
-12В
С8
= 10мк
+25В
Рис. 5.14. Схема инвертора полярности напряжения
для питания маломощных устройств
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в поаоянное
261
Аналоги. Кроме указанных в
схеме, можно применить транзисторы
КТ814Б-КТ814Г, КТ816А-КТ816Г;
выпрямительные диоды КД510А,
КД212А; стабилитроны КС512А,
КС213Б, КС213Е. Конденсаторы - К50-6
или К50-16, К53-1 (Cl, C4-C8), осталь-
ные - КЛС, КМ; резисторы - ВС, МЛТ.
Наладка. При налаживании частоту
генерации устанавливают в пределах
20—25 кГц подборкой конденсатора С2,
а требуемое выходное напряжение —
стабилитрона VD5.
Печатная плата устройства пред-
ставлена на рис. 5.15. Рис5Л5-Вид печатной платы
Подробное описание схемы приводится в [11].
Преобразователь напряжения 1,5 В в 9 В
(DC-DC Step-Up 1,5/9 V)
Назначение. Питание устройств напряжением 9 В от элемента типа
А316 с напряжением 1,5 В.
Особенности. Применяемые в некоторых устройствах батарейки
типа «Крона» имеют малый сррк службы. Поэтому целесообразно
использовать элементы типа А3к> с напряжением 1,5 В совместно с
преобразователем напряжения.
Характеристики. Входное напряжение — 1,5 В. Выходное напряже-
ние — 9 В/4,5 мА. Ток покоя преобразователя — 0,5 мА.
Схема. Преобразователь (рис. 5.16) представляет собой однотакт-
ный релаксационный генератор с емкостной положительной обратной
Рис. 5.16. Схема преобразователя питания от элемента А316
с напряжением 1,5 В на питание 9 В (батарейка типа «Крона»)
262 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
связью (С2, СЗ). В коллекторную цепь транзистора VT2 включен повы-
шающий автотрансформатор Т1.
В преобразователе использовано обратное включение выпрямитель-
ного диода VD1, т. е. при открытом транзисторе VT2 к обмотке авто-
трансформатора приложено напряжение питания и на выходе авто-
трансформатора появляется импульс напряжения. Однако включен-
ный в обратном направлении диод VD1 в это время закрыт, и нагрузка
отключена от преобразователя.
В момент паузы, когда транзистор закрывается, напряжение
на обмотках Т1 изменяется на обратное, диод VD1 открывается и
выпрямленное напряжение прикладывается к нагрузке. При последу-
ющих циклах, когда транзистор VT2 запирается, конденсаторы филь-
тра (С4, С5) разряжаются через нагрузку, обеспечивая протекание
постоянного тока.
Индуктивность повышающей обмотки автотрансформатора Т1 при
этом играет роль дросселя сглаживающего фильтра. Для устранения
подмагничивания сердечника автотрансформатора постоянным током
транзистора VT2 используется перемагничивание сердечника авто-
трансформатора за счет включения параллельно его обмотке конденса-
торов С2 и СЗ, которые одновременно являются делителем напряжения
обратной связи.
Когда транзистор VT2 закрывается, конденсаторы С2 и СЗ в тече-
ние паузы разряжаются через обмотку 1-2, перемагничивая сердеч-
ник Т1 током разряда. Время открытого состояния транзистора VT2
определяется индуктивностью обмотки 1-2 автотрансформатора Т1 и
емкостями С2 и СЗ. Частота генерации зависит от напряжения на базе
транзистора VT1.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет ООС
по постоянному напряжению посредством R2. При этом при пони-
жении выходного напряжения увеличивается частота генерируемых
импульсов при примерно одинаковой их длительности. В результате
увеличивается частота подзарядки конденсаторов фильтра С4 и С5 и
падение напряжения на нагрузке компенсируется. При увеличении
выходного напряжения частота генерации, наоборот, уменьшается. Так,
после зарядки накопительного конденсатора в ПДУ частота генерации
падает в десятки раз. Остаются лишь редкие импульсы, компенсирую-
щие разрядку конденсаторов в режиме покоя. Этот способ стабилиза-
ции позволил довести ток покоя преобразователя до 0,5 мА.
■
Совет.
Транзисторы VT1 и VT2 должны иметь наибольший коэффициент
усиления для повышения экономичности.
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
263
Моточные элементы. Обмотка автотрансформатора намотана на фер-
ритовом кольце 2000НМ 10*6*2 мм и имеет 300 витков провода ПЭЛ-0,08
с отводом от 50-го витка (считая от «заземленного» вывода).
Элементная база. Диод VD1 должен быть высокочастотным и иметь
малый обратный ток. Остальные детали — малогабаритные, любых
типов. После монтажа и настройки детали преобразователя закрыва-
ются экраном, изготовленным из белой жести.
Наладка. Правильно собранный преобразователь начинает работать
сразу после включения. Необходимо лишь путем подбора резистора R2
установить выходное напряжение равным 9 В. Для увеличения срока
службы элемента A316 можно установить в устройство миниатюрный
выключатель питания.
Подробное описание схемы приводится в [14].
Преобразователь напряжения 5 В в ±8,5 В
(DC-DC Step-Up/Inverter 5/±8,5 V)
Назначение. Обеспечение питания, когда в ТТЛ-схеме имеется ана-
логовая цепь, потребляющая низкое, но симметричное биполярное
напряжение (например, операционный усилитель).
Особенности. Поскольку в нынешних ТТЛ-системах обычно име-
ется только напряжение питания +5 В, из него и необходимо получить
симметричное напряжение питания. В бестрансформаторном преоб-
разователе элемент D1 служит генератором прямоугольных импульсов,
при указанных значениях R1 и Ci его частота примерно равна 100 кГц,
и сигнал имеет ТТЛ-уровни.
Характеристики. Входное напряжение составляет + 5 В. Выход:
симметричные напряжения ±8,5 В с допустимой нагрузкой 10 мА.
Схема. Принципиальная схема приведена на рис. 5.17. Элементы
D2 и D3 «буферизуют» отдельно два канала. К выходам обоих буферов
подключены двухполупериодные
выпрямители, элементы которых по
отношению друг к другу включены в
противоположных полярностях, на
выходах преобразователя имеются
симметричные напряжения ±8,5 В с
допустимой нагрузкой 10 мА.
Совет.
Учитывая сравнительно высо-
кую частоту работы преоб-
разователя, для конденсато-
+8,5 В
(макс.ЮмА)
-8,5 В
(макс.ЮмА)
VD4=t=47mk
Х16В
Рис. 5.17. Схема формирователя
двуполярного напряжения ±5,5 В
с допустимой нагрузкой 10 мА
264 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
ров С2-С5 необходимо использовать, по возможности, тантало-
вые конденсаторы.
Подробное описание схемы приводится в [106].
Преобразователь напряжения 3,6 В в 10,8 В
(DC-DC Step-Up 3,6/10,8 V)
Назначение. Предназначен для аварийного питания автомобиль-
ных энергозависимых электронных устройств с небольшим током
потребления от резервного источника при пропадании напряжения в
сети (например, генератора и счетчика импульсов электронных часов,
установленных в автомобиле).
Особенности. Как показала проверка, при использовании бата-
реи GB1 из трех соединенных последовательно аккумуляторов Д-0,25
выходное напряжение преобразователя на нагрузке сопротивлением
68 кОм (ток нагрузки — 150 мкА) равйо 10,1 В, а в режиме холостого
хода — 10,8 В. При установке устройства в автомобиле для аварийного
питания часов на микросхемах серии К561 допускается подключение
его к бортовой сети напряжением 12 В через развязывающий диод, пре-
дотвращающий перегрузку преобразователя.
Простота, обратимость функций, возможность реализации буферного
режима для резервного источника с малой ЭДС позволяют использовать
описанный преобразователь напряжения как аварийный источник пита-
ния для различных устройств с памятью. Для того чтобы устранить вероят-
ность перезарядки батареи GB1, целесообразно стабилизировать напряже-
ние питания устройства, выбрав его таким, чтобы напряжение на выводах
3 и 13 мультиплексора не превышало напряжения батареи GB1.
В том случае, когда включение резервного источника — событие
редкое и кратковременное, для предотвращения перезарядки батареи
достаточно последовательно с ней включить токоограничивающий
резистор, шунтированный диодом. Резистор подбирают из условия обе-
спечения зарядного тока, равного току саморазрядки. В режиме умно-
жения напряжения батарея оказывается подключенной к мультиплек-
сору через открытый диод.
Отсутствие в преобразователе развязывающих диодов и транзистор-
ных ключей обеспечивает КПД, достигающий 80—90%.
Схема. Принципиальная схема преобразователя представлена на
рис. 5.18. Преобразователь содержит резервную аккумуляторную бата-
рею GB1, задающий генератор на элементах DD1.1—DD1.3, двухразрядный
счетчик на D-триггерах DD2.1, DD2.2, двойной четырехканальный мульти-
плексор DD3 и емкостный накопитель-делитель — конденсаторы С2—С5.
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
265
К выв. 14 DD1, DD2, выв. 16 DD3
DD1
К561ЛЕ5
К выв. 7,12,13 DD1, выв. 7 DD2, выв. 8 DD3
Рис. 5.18. Схема «обратимого» преобразователя напряжения
При наличии напряжения в бортовой сети устройство работает в
режиме деления ее напряжения и подзарядки батареи GB1. Буферный
режим обеспечен двунаправленным мультиплексором DD3, который
поочередно подключает батарею параллельно одному из конденсаторов
С2—С5 емкостного делителя напряжения. В результате батарея заряжа-
ется до напряжения, равного четверти напряжения бортовой сети.
В момент пропадания напряжения в сети преобразователь автомати-
чески переходит в режим умножения напряжения резервной батареи. В
этом режиме конденсаторы С2—С5 через мультиплексор DD3 последо-
вательно заряжаются от батареи (Ж 1, а поскольку они соединены после-
довательно, на выходе устройства Создается напряжение, равное учетве-
ренному напряжению батареи, которое питает не только обслуживаемое
электронное устройство, но и микросхемы самого преобразователя.
Сигналы управления мультиплексором поступают с выходов счет-
чика (DD2.1, DD2.2), который через буферный элемент DD1.3 подклю-
чен к выходу генератора импульсов с частотой следования около 5 кГц.
Поскольку в режиме умножения напряжения узлы преобразователя
питаются его выходным напряжением, для первоначального запуска
необходимо кратковременно подать в цепь питания напряжение бор-
товой сети. После самовозбуждения генератора преобразователь рабо-
тает от батареи GB1. Если устройство предполагается использовать в
качестве резервного источника питания электронных часов, генератор
на элементах DD1.1, DD1.2 может и не понадобиться: его вполне можно
заменить задающим генератором часов. Это позволит снизить потре-
бляемый преобразователем ток до уровня 10—20 мкА.
Наладка. Преобразователь не нуждается в налаживании, однако
необходимо иметь в виду, что напряжение резервной батареи не должно
превышать 4 В. В противном случае амплитуда выходного (умножен-
266
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
ного) напряжения превысит максимально допустимое напряжение
входных сигналов для микросхем серии К561, что приведет к выходу
их из строя.
Подробное описание схемы приводится в [96].
Преобразователь напряжения 12 В в 15-50 В
(DC-DC Step-Up 12/15-50 V)
Назначение. Питание от автомобильного аккумулятора радиоэлектрон-
ных устройств, требующих постоянное напряжение большей величины.
Особенности. Для питания некоторых радиоэлектронных устройств
требуется постоянное напряжение более 12 В. Поэтому при эксплуатации
подобной аппаратуры, например, в автомобиле или от автомобильного
аккумулятора необходим соответствующий преобразователь напряже-
ния. На основе современных микросхем и полевых транзисторов можно
собрать экономичный преобразователь напряжения, габариты которого
будут определяться, в основном, трансформатором. Вниманию читате-
лей предлагаем один из вариантов такого преобразователя.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Выходное посто-
янное напряжение — 15—50 В в зависимости от количества витков во
вторичной обмотке трансформатора. При токе нагрузки 3 А (выходная
мощность — около 100 Вт) КПД преобразователя составляет примерно
91-92%.
Схема. Принципиальная схема преобразователя постоянного напря-
жения в постоянное большего значения показана на рис. 5.19. Он
собран на микросхеме КР1211ЕУ1 и полевых транзисторах IRLR2905.
SA1 «Вкл.»
ЬА1«ВКЛ.» г-|К1
xnfti. j. j. .111
78L05
123
Т1
, VD1...VD4
С13+
10мк=
50 В
С14 (
0,22 мк
С15 +
10мк=
50 В
• 12
= Выход
Рис. 5.19. Схема мощного малогабаритного преобразователя
постоянного напряжения 12 В в постоянное напряжение большей величины
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное 267
Эти транзисторы обладают очень малым сопротивлением открытого
канала (примерно 0,027 Ом), обеспечивают протекание большого тока
(не менее 26 А) и управляются сигналами с логическими уровнями
цифровых микросхем, В большинстве случаев их можно использовать
без теплоотводов, уменьшив тем самым габариты преобразователя.
Микросхема DA2 формирует управляющие импульсные сигналы для
полевых транзисторов, их частоту определяют параметры частотоза-
дающей цепи R3, С12. Управляющие импульсы формируются так, что
между ними существует пауза. Вследствие этого исключается протека-
ние сквозного тока через транзисторы и повышается КПД преобразо-
вателя. Транзисторы коммутируют первичную обмотку повышающего
трансформатора Т1.
Напряжение вторичной обмотки выпрямляет диодный мост VD1—
VD4 и сглаживает фильтр С13, С14, L2, С15. Здесь дроссель в основном
обеспечивает подавление в выходном напряжении высокочастотных
гармоник. Напряжение питания управляющей микросхемы DA2 предва-
рительно сглажено фильтром LI, C9 и стабилизировано интегральным
стабилизатором напряжения DA1, цепь R2, СП обеспечивает запуск
микросхемы при включении питания. На реле К1 собрано устройство
защиты преобразователя от перегрузки.
Когда потребляемый ток увеличится сверх установленного уровня,
контакты реле К1.1 замкнутся, на вход FC микросхемы DA2 поступит
высокий логический уровень, а на ее выходах установится низкий логи-
ческий уровень — транзисторы Закроются, и работа преобразователя
прекратится. V
Примечание.
Для его повторного запуска надо выключить и снова включить
питание.
Элементная база. Дроссель L2 наматывают на кольцевом магнито-
проводе K20x12><6 из феррита 2000НМ, его обмотка содержит 5 витков
провода МГТФ-0,75, а индуктивность составляет около 50 мкГн. Токовое
реле К1 — самодельное, его обмотка выполнена из медного изолиро-
ванного провода диаметром 2 мм, намотанного на оправке диаме-
тром 3—4 мм, внутрь которой вставлен геркон КЭМ2. Примерное число
витков для тока 7 А — 4, а для 10 А — 3. Чувствительность реле можно
плавно регулировать, изменяя положение геркона в катушке, после
окончательного налаживания геркон фиксируют клеем.
Трансформатор Т1 выполнен на двух склеенных кольцевых магни-
топроводах К45*28><12 из феррита 2000НМ, острые края колец необхо-
димо обязательно скруглить. Обе обмотки намотаны проводом МГТФ-
0,75. Первичная обмотка содержит 5 витков из восьми сложенных вме-
268
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
сте проводников, ее разделяют на две части и начало одной соединяют
с концом второй. Вторичная обмотка для выходного напряжения 32 В
содержит 15 витков в два провода. Для других значений выходного
напряжения число витков вторичной обмотки следует пропорцио-
нально изменить.
Аналоги. В устройстве микросхему 78L05 (DA1) допустимо заменить
на КР1157ЕН5О2А, 78М05, КР142ЕН5А, оксидные конденсаторы жела-
тельно использовать танталовые для поверхностного монтажа или
серий К52, К53, однако размеры платы в этом случае, возможно, при-
дется увеличить, неполярные конденсаторы — К10-17в или К10-17а с
выводами минимальной длины. Резисторы — МЛТ, С2-33, дроссель L1 —
ДМ-0,1 индуктивностью 50—100 мкГн.
Печатная плата. Большинство деталей размещают на печатной плате
из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой
показан на рис. 5.20. Темной заливкой выделены участки фольги, кото-
рые необходимо удалить. Все элемен^ монтируют со стороны печатных
проводников. Вторая сторона оставлена металлизированной и соединена
с общим проводом первой стороны. Для этого в показанные на чертеже
сквозные отверстия вставляют отрезки луженого провода и припаивают
с двух сторон платы. Выводы первичной обмотки трансформатора сле-
дует припаивать ближе к стоковому выводу транзистора, поскольку они
будут обеспечивать дополнительное отведение тепла.
Совет.
Для уменьшения помех преобразователь желательно поместить
в металлический корпус.
105
KSA1
Г Вход (-12 В) -? Выход
Рис. 5.20. Вид печатной платы
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное
269
Испытания устройства показали, что при токе нагрузки 3 А (выход-
ная мощность — Около 100 Вт) КПД преобразователя составляет при-
мерно 91—92%. Полевые транзисторы нагреваются незначительно,
выпрямительные диоды — заметно теплее. Поэтому КПД можно еще
повысить, если вместо КД213А применить быстродействующие выпря-
мительные диоды Шоттки.
Подробное описание схемы приводится в [91].
Преобразователь напряжения 12 В в ±30 В
(DC-DC Step-Up/fnverter 12/±(25-30) V)
Назначение. Питание различ-
ных электронных устройств напряже-
нием 25—30 В с током потребления до
70—80 мА от бортовой сети автомобиля с
напряжением 12 В.
Особенности. Это бестрансформатор-
ный преобразователь напряжения.
Характеристики. Входное напря-
жение — 12 В. Выходное напряже-
ние 25—30 В с током потребления до
70-80 мА.
Схема. Принципиальная схема пре-
образователя представлена на рис. 5.21.
Принцип работы преобразователя^такой.
Мультивибратор на транзисторах с мощ-
ным выходом вырабатывает импульсы,
поступающие на умножитель напряже-
ния со стабилизацией. Частота генерации
мультивибратора 10 кГц.
Подробное описание схемы приво-
дится в [152].
VD4 КД105А
-ЗОВ
Рис. 5.21. Схема маломощного
бестрансформаторного
преобразователя напряжения
12 В в напряжение 25-30 В с
током потребления до 70-80 мА
Преобразователь напряжения 12 В в 350 В
(DC-DC Step-Up 12/350 V)
Назначение. Питание от автомобильного аккумулятора радиоэлек-
тронных устройств, требующих напряжение питания 350 В.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Выходное напряже-
ние — 350 В. Ток холостого хода преобразователя — 70 мА, потребление
под нагрузкой — 5—7 А на максимальной нагрузке (около 100 Вт). КПД
составляет 98%. Аккумулятор использован на 12 В (10 А-ч).
270
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Схема. Задающий генератор преобразователя (рис. 5.22) собран на
стандартном ШИМ-контроллере (импортный аналог из 494-й серии).
Контроллер вырабатывает управляющие сигналы для транзисторов
усилителя мощности, исключая сквозные токи через них. «Мертвое
время» (Dead time) составляет минимум Ъ% от длительности периода
колебаний и задается напряжением на выводе 4 микросхемы DA1: при
0В-3%,приЗ,5В-100%.
Конденсатор С1 служит для плавного запуска преобразователя. В
контроллере имеются два усилителя, один из которых используется для
предотвращения разряда аккумулятора (не позволит работать преобра-
зователю при снижении напряжения на аккумуляторе ниже 8 В).
Внимание.
Цепь для предотвращения разряда аккумулятора желательно
ставить не только в случае, когда жалко испортить аккумуля-
тор, но и тогда, когда используются силовые транзисторы без
логического управления, т. е. оёз буквы L (у них порог открывания
4-6 В). При сильном разряде аккумулятора они могут перейти
в активный режим, что приведет к повреждению схемы из-за
перегрева.
R7 47 к
Рис. 5.22. Схема мощного преобразователя 12 В -350 В,
построенного на ИМС КР1114ЕУ4
Глава 5. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в постоянное 271
Частота преобразования задается элементами СЗ, R8 и при указан-
ных номиналах составляет 40 кГц. Для изменения частоты эти элементы
можно менять в пределах 500 пФ — 0,1 мкФ и 1—100 кОм.
Моточные элементы. Сердечник трансформатора Т1 — два ферри-
товых кольца М2000НМ типоразмера К32*16><9 (диаметр 32 мм, сече-
ние 1,4 см, приходится 3 В на виток). Первичная обмотка содержит 4+4
витка, провод диаметром 0,91 мм (мотается в 4 провода, уложенных
лентой). Вторичная обмотка — 130 витков диаметром 0,45 мм.
В качестве микросхемы DA1 подойдет любой контроллер из серии
494 (TL494, UC494, рРС494, CD494, КА75ОО).
Элементная база и аналоги. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть
КТ645, КТ3102 и др. Полевые транзисторы (не IGBT и не КП954) с макси-
мальным напряжением не ниже 50 В, сопротивлением канала <0,015 Ом
и затворной емкостью <3000 пФ. Транзисторы IRL3705L имеют сопро-
тивление в открытом состоянии R= 0,01 Ом, и их можно заменить двумя
включенными параллельно IRFZ44N (R = 0,022 Ом).
Существуют минские транзисторы завода «Интеграл» КП732Г, они
лучше заявленного аналога IRFLZ44, паспортное сопротивление у них
28 мОм, а по измерениям — 18 мОм, и стоят они дешевле. Из наших
новых подойдут КП812. Диоды VD3—VD6 желательно использовать
быстродействующие (не быстрые сильно греются при больших нагруз-
ках), с обратным напряжением не менее 400 В, и на ток не менее 1 А.
Подробное описание схемы приводится в [125].
Преобразователь напряжения 12 В в 15-27 В
(DC-DC Step-Up 12/15-27 V)
Назначение. Питание от автомобильного аккумулятора радиоэлек-
тронных устройств, требующих напряжение питания 15—27 В.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Выходное напряже-
ние —15—27 В. Аккумулятор использован на 12 В (4 А-ч). Ток нагрузки —
до 3-3,5 А.
Схема. Схема бездроссельного импульсного преобразователя напря-
жения представлена на рис. 5.23. Осциллограммы, изображенные на
рис. 5.24, поясняют работу преобразователя. Генератор на DD1.1, DD1.2
формирует меандр частотой около 20 кГц. Если бы ключевые транзи-
сторы VT1, VT2 открывались противофазными сигналами с выходов
триггера DD2, в момент переключения через транзисторы протекал
сквозной ток, и происходило бы короткое замыкание источника пита-
ния. Для устранения данного явления импульсы отрицательной поляр-
ности формируются так, чтобы переходные процессы в транзисторах
происходили бы попеременно и не совпадали по времени.
272
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
0,1мк?Вх°Д+10"15В
НЬ
г-*>Квыв.7 DD1,
J_ выв.7...11 DD2
DD1
К561ЛА7
DD1.1
К выв. 14DD1.DD2
_ Выход
°+15...27В
1 мк
Рис. 5.23. Схема бездроссельного преобразователя напряжения с 12 В до 15-27 В
Выв. 4
DD1.2
Выв. 1
DD2.1
Выв. 2 —
DD2.1
Выв. 10
DD1.4
I
LJ
-пиигигипл
_j—1__
I
I
_
Выв. 11
DD1.3
"LJ
Рис. 5.24. Осциллограммы, поясняющие работу преобразователя
В момент открывания VT2, С4 заряжается через диод VD1 до напря-
жения питания. После того как откроется VT1, С4 будет включен после-
довательно с цепью питания. При этом VD1 будет препятствовать вза-
имодействию С4 с источником питания по параллельной схеме, а С5
будет заряжаться через диод VD2 напряжением источника питания,
сложенным с напряжением на заряженной емкости С4. Напряжение
на выходе преобразователя в некоторой степени зависит от входного
напряжения и тока нагрузки.
Работоспособность схемы сохраняется при снижении напряжения
питания до +5...+6 В. Ведь после удвоения это напряжение становится
равным +10...+12 В. А это позволяет использовать преобразователь
также и для питания двенадцативольтовой аппаратуры от малогаба-
ритных аккумуляторов.
Подробное описание схемы приводится в [170].
ГЛАВА 6
СХЕМОТЕХНИКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ
6.1. Принцип действия преобразователей постоянного
напряжения в переменное (DC-AC конвертеров)
Желательно выдержать стандартную сетевую частоту 50 Гц и полу-
чить выходное напряжение синусоидальной формы. Если заставить
выходные транзисторы преобразователя усиливать или генерировать
синусоидальный сигнал, КПД не превысит 60—70 %.
Часто идут другим путем — уменьшают длительность импульсов
обеих полярностей в двухтактном ключевом преобразователе, как
показано на рис. 6.1.
Здесь не обойтись
без задающего гене-
ратора, вырабатываю-
щего на двух выходах
последовательности
импульсов с частотой
50 Гц и со скважностью
(отношением пери-
ода к длительности)
более 2. Сконструировать такой генератор на современных цифровых
микросхемах не составляет особой сложности.
Итак, транзисторы VT1 и VT2 открываются поочередно, причем
один — через некоторое время после того, как закроется другой. В
момент закрывания транзистора VT1 на его коллекторе формиру-
ется положительный выброс напряжения, как в блокинг-генераторе.
Этот ненужный в данном случае выброс «срезает» диод VD2 — на его
катоде выброс, инвертированный первичной обмоткой трансформа-
тора, имеет отрицательную полярность и открывает диод. Происходит
«переброс тока» из верхней (по схеме) половины первичной обмотки в
нижнюю, и ток плавно спадает, протекая по цепи:
общий провод -> диод VD2 -»
половина первичной обмотки -> шина +U.
Рис. 6.1. Схема преобразователи
постоянного напряжения в переменное
274 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
После спадания тока открывается транзистор VT2, и ток в обмотке
течет в другую сторону. Выброс напряжения при закрывании VT2 ана-
логичным образом «срезает» диод VD1.
Хотя полученная на вторичной обмотке ступенчатая форма напря-
жения — довольно «корявое» приближение к синусоиде, большинство
сетевых приборов ее вполне допускает. Более «гладкую» форму напря-
жения получают включением между вторичной обмоткой и нагрузкой
LC-фильтра нижних частот.
6.2. Лучшие конструкции преобразователей
постоянного напряжения в переменное
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~|20 V 50 Hz)
Назначение. Питание потребителей переменного тока от автомо-
бильной бортовой сети постоянным напряжением 12 В.
Особенности. Предлагаемый вариант преобразователя можно
использовать для питания магнитолы, телевизионного приемника и
других радиоэлектронных устройств с мощностью до 100 Вт.
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — 220 В переменное. Оно потребляет под нагрузкой ток
около 2,5 А. Мощность нагрузки — до 100 Вт. Ток потребления от источ-
ника постоянного тока — до 10 А.
Схема. На рис. 6.2 приведена схема преобразователя напряжения
12 В постоянного тока в 220 В переменного.
Преобразователь состоит из задающего генератора, выполненного
по схеме симметричного мультивибратора на транзисторах VT1, VT2
и усилителя мощности на транзисторах VT3—VT8. Он работает сле-
дующим образом. При подаче питания выключателем SA1 мультиви-
братор начинает генерировать симметричные импульсы (меандр). С
коллекторов транзисторов мультивибратора импульсы через цепочки
R5, СЗ и R6, С4 поступают на транзисторы двухтактного усилителя
мощности.
Когда на коллекторе транзистора VT1 высокий уровень напряже-
ния, на коллекторе транзистора VT2 — низкий. В течение полупериода
транзисторы VT4, VT6 и VT8 открыты — через них и обмотку транс-
форматора Т1 протекает ток от источника питания 12 В. Транзисторы
верхнего плеча усилителя мощности закрыты. В течение второго полу-
периода открыты транзисторы VT3, VT5 и VT7 — и ток протекает через
соответствующую обмотку.
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
275
Рис. 6.2. Схема преобразователя напряжения 12 В - 220 В
для питания радиоэлектронных устройств с мощностью до 100 Вт
Таким образом, на первичной обмотке трансформатора Т1 формиру-
ется переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, при-
мерно равной напряжению источника. Переменный магнитный поток
в магнитопроводе трансформатора индуцирует во вторичной обмотке
напряжение, амплитуда которого зависит от соотношения витков вто-
ричной и первичной обмоток. Диоды VD1 и VD2 служат для устране-
ния импульсов отрицательной йолярности, возникающих при работе
задающего генератора в моменть&переходных процессов. Диоды VD3 и
VD4 защищают транзисторы выходной ступени усилителя мощности от
напряжений обратной полярности, возникающих за счет самоиндукции.
Элементная база. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе
11136*36. Каждая из половин первичной обмотки имеет по 21 витку, намо-
танных проводом ПЭЛ-2,1, вторичная обмотка имеет 600 витков провода
ПЭЛ-0,59. Вторичная обмотка при выполнении трансформатора уклады- -
вается первой, а поверх нее — первичная обмотка, которую для лучшей
симметрии следует выполнять одновременно в два провода.
в
Примечание.
При выполнении преобразователя транзисторы VT5 и VT7, VT6 и VT8 сле-
дует попарно расположить на теплоотводах. Теплоотводы должны
быть изолированы друг от друга и от общей шины цепи питания.
Для измерения тока потребления от источника постоянного тока
(он не должен превышать 10 А) в разрыв провода, идущего от средней
точки первичной обмотки трансформатора Т1 к плавкой вставке FU1,
желательно включить амперметр с током полного отклонения 10 А (на
276 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
схеме не показан). Это облегчит визуальный контроль при работе с
мощными потребителями.
Наладка. Настройка преобразователя состоит в установке частоты
задающего генератора переменным резистором R9. Для настройки сле-
дует подключить осциллограф или частотомер к коллектору одного из
транзисторов мультивибратора и включить питание преобразователя.
Регулировкой переменного резистора добиться частоты генерируемых
колебаний 50 Гц.
Корпус. Смонтированное и отрегулированное устройство сле-
дует разместить в корпусе, на передней панели которого располагают
клеммы для подключения внешнего источника тока (аккумулятора) и
нагрузки, держатели плавких вставок, выключатель напряжения задаю-
щего генератора, светодиоды индикаторов рабочего состояния — крас-
ный (HL2), сигнализирующий подключение внешнего источника тока,
и зеленый (HL1) — включение задающего генератора.
Аналоги. При изготовлении прео%>азователя допустимы следую-
щие замены элементов: 2T65S1 - КТ601А, 2Т7531 - КТ801А, 2N3055 -
КТ819ГМ, 2D5607 — Д226А. В качестве индикаторов можно применить
светодиоды АЛ307В (зеленый) и АЛ307Б (красный).
Подробное описание схемы приводится в [111].
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Питание потребителей переменного тока от автомо-
бильной бортовой сети (12 В).
Особенности. Для того, чтобы в дороге или на отдыхе можно было
пользоваться обычной электроаппаратурой, рассчитанной на питание
от сети переменного тока 220 В, радиолюбители собирают различные
преобразователи напряжения.
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — 220 В переменное. Оно потребляет под нагрузкой ток
около 2,5 А. Мощность нагрузки — до 100 Вт.
Схема. На рис. 6.3 представлена схема одного из таких устройств.
Схема состоит из трех функциональных узлов: задающего мультиви-
братора, вырабатывающего импульсное напряжение частотой 50 Гц, с
инвертором на выходе, двухтактного транзисторного ключевого усили-
теля мощности и повышающего трансформатора.
Мультивибратор выполнен на микросхеме D1, на элементах D1.1 и
D1.2. Его частота зависит от номиналов R1 и С1. На выходе мультиви-
братора включен инвертор на D1.4, который создает противофазные
сигналы, поступающие на базы транзисторов VT1 и VT2, затем еле-
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
277
D1.1
К выв. 14 D1
зГПи К выв. 7,
" Г"" 11,130Г
D1.2 VT1
+ 1 С2 I СЗ
100мк"Г0,1мк
иГГ 0,11
-►+12...15В
D1
К561ЛН2
R8 150
Рис 6.3. Схема преобразователя 12 В в 220 В для походов
дует двухтактный усилитель мощности на транзисторах VT3 и VT4,
нагруженный на низковольтную обмотку силового трансформатора
Т1, в результате в этой обмотке протекает импульсный ток. На выходе
трансформатора формируется высокое напряжение, по форме близкое
к синусоидальному.
Контур, состоящий из повышающей обмотки этого трансформатора
и конденсатора С4, настроен на частоту 50 Гц, что дополнительно повы-
шает синусоидальность выходного напряжения.
Аналоги. Вместо микросхемы К561ЛН2 можно использовать любые
инверторы из серии К561, например, микросхему К561ЛА7 или К561ЛЕ5,
входы каждого из элементов которых соединены вместе (так, чтобы из
элемента И-НЕ или ИЛИ-НЕ полупился простой инвертор).
Транзисторы КТ973 — с любым буквенным индексом, транзисторы
КТ805 можно заменить на КТ819, тоже с любыми буквенными индексами.
В качестве повышающего трансформатора годится любой сетевой
трансформатор на мощность 50—100 Вт, первичная обмотка которого
рассчитана на 220 В, а две вторичных на 10—15 В каждая (или одна с
отводом посередине на 20—30 В). Трансформатор включается наоборот,
низковольтная обмотка — это обмотка «I», а высоковольтная — «II».
Примечание.
Транзисторы VT4 и VT3 должны быть установлены на радиаторы,
обеспечивающие надежный теплоотвод.
Подробное описание схемы приводится в [110].
278
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Питание потребителей переменного тока от автомо-
бильной бортовой сети (12 В).
Особенности. Схема имеет невысокий КПД, то используйте его.
Схема. Принципиальная схема преобразователь (рис. 6.4) не требует
изготовления трансформатора. Можно использовать готовый 12-воль-
товый. Ток холостого хода низковольтной обмотки — меньше 1,5 А.
Можно получить маленький ток холостого хода и более высокий
КПД, использовать два таких трансформатора и соединить их, как пока-
зано на рис. 6.4, б.
Элементная база. L1 наматывают проводом 0,5 мм на высокоомный
резистор — чем больше витков поместится, тем лучше. Четыре выход-
ных транзистора ставятся на небольшие радиаторы.
Наладка. Резистором R1 устанавливается частота преобразования
50 Гц. В представленном виде схема Может работать на мощность до
150 Вт, после небольших переделок мощность можно увеличить.
Подробное описание схемы приводится в [89].
DA1 КР1006ВИ1
а)
Рис
6.4. Несложный бестрансформаторный преобразователь 12 В - 220 В:
а - принципиальная схема; б - соединение двух трансформаторов
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
279
Преобразователь напряжения =12 В в ~220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Питание потребителей переменного тока от автомо-
бильной бортовой сети (12 В).
Особенности. Применение мощных полевых транзисторов позво-
ляет существенно упростить схему и повысить КПД преобразователя.
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — 220 В переменное. Ток, потребляемый от аккумулятор-
ной батареи, — 5 А.
Схема. Принципиальная схема преобразователя приведена на
рис. 6.5. На элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор с
частотой 500 Гц. Делитель на DD2 формирует две импульсные последо-
вательности частотой 50 Гц со сдвинутыми на 180° фазами для управле-
ния силовыми ключами VT1 и VT2 двухтактного преобразователя.
Чтобы избежать сквозных токов переключения, между выключением
одного ключа и включением другого существует «мертвая зона», равная
10% длительности периода. При подаче высокого уровня (логической
«1») на вход «Блокировка» оба выходных ключа запираются. Выходная
мощность преобразователя ограничена мощностью силового транс-
форматора Т1 и максимальным допустимым током выходных транзи-
сторов. Коэффициент трансформации силового трансформатора К = 20.
Элементная база. В качестве выходных транзисторов подойдут
IRFZ034 (15 A), IRFZ044 и RG723A (30 A), IRFZ046 (50 A), IRFP064 (100 А).
Примечание.
Для надежности устройства рекомендуется иметь двойной запас по
току и тройной - по напряжению. Силовые цепи должны быть по воз-
можности короче и выполнены проводами соответствующего сечения.
Подробное описание схемы приводится в [74].
DD2
, DD2
С1 J_ К561ИЕ8
I 0,022 мк"
VD1...VD8
«Аккумулятор»
°
Рис. 6.5. Схема преобразователь 12 В- 220 В на полевых транзисторах
280
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Питание потребителей переменного тока от автомо-
бильной бортовой сети (12 В).
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — 220 В переменное. Мощность нагрузки — до 100 Вт. КПД
при тщательном изготовлении трансформатора — до 90%.
Схема. Удачная схема двухтактного преобразователя с полевыми
транзисторами, выполненная с использованием специализированного
ШИМ-контроллера 1114ЕУ4, приведена на рис. 6.6.
При указанных на схеме номиналах частота преобразования около
20 кГц. В нормальном состоянии транзисторы VT1 и VT2 закрыты
и открываются импульсами, поступающими с выхода микросхемы.
Цепь Cl, R2 обеспечивает плавный выход на рабочий режим. Делители
напряжения на резисторах R7, R9 и R8, R10 ограничивают выходной ток
микросхемы, а также величину напряжения на затворах ключей. Диод
VD1 защищает схему при ошибочном подключении полярности источ-
ника питания.
Примечание.
Схема устойчиво работает с нагрузками до 100 Вт, единственное
условие - транзисторы VT1, VT2 для этого должны быть уста-
новлены на радиаторы.
XS1
Рис. 6.6. Схема двухтактного преобразователя напряжения
на полевых транзисторах
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
281
При использовании в схеме современных полевых транзисторов с
изолированным затвором можно существенно уменьшить габариты
конструкции.
Элементная база. Трансформатор Т1 выполнен на двух сложенных
вместе кольцевых сердечниках из феррита марки М2000НМ типораз-
мера К32*20*6. Первичная обмотка содержит 2*8 витков проводом
ПЭЛ диаметром 0,8 мм. Вторичная обмотка для получения напряжения
220 В — 300 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,25 мм. Обмотка обрат-
ной связи — 10 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,25 мм.
Подробное описание схемы приводится в [50].
Преобразователь напряжения =12 В в -220-500 В 50-400 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220-500 V 50-400 Hz)
Назначение. Преобразование постоянного напряжения 12 В в пере-
менное от 200 до 500 В для питание различной радиоэлектронной аппа-
ратуры.
Особенности. Лавинные тиристоры ПТЛ-100 относятся к достаточно
редким приборам, но в данной схеме допускается применение и более
распространенных типов мощных тиристоров. Эти тиристоры также
должны быть рассчитаны на коммутацию токов не менее 100 А.
В качестве замены можно предложить такие тиристоры на ток 100 А:
Т151-100 или более старый T10Q (оба этих тиристора не относятся к
классу лавинных). А вот из лавинньрс тиристоров доступны только более
мощные. Это ТЛ171-250, ТЛ171-32^или ТЛ2-160, ТЛ2-2ОО, ТЛ2-250. Есть
еще высокочастотные тиристоры, в том числе и на 100 А, например,
ТБ161-100, ТЧ100, ТЧИ100. Все эти мощные тиристоры, невзирая на их
название, могут работать на частотах до 500 Гц.
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — от 200 до 500 В переменное. Мощность нагрузки — до
500 Вт.
VD1
ПТЛ-100
J0
Рис 6.7. Схема мощного тиристорного
преобразователя с мощностью в нагрузке до 500 Вт
282 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Схема. Принципиальная схема преобразователя представлена на
рис. 6.7. Частота выходного переменного напряжения определяется часто-
той импульсов автогенератора, выполненного на транзисторах VT1 и VT2.
Этими импульсами через трансформатор Т1 управляются тиристорные
ключи VD1 и VD2, которые попеременно подключают к источнику посто-
янного напряжения то одну, то другую половины первичной обмотки
трансформатора Т2. К выводам 4-5 трансформатора Т2 подключается
нагрузка. Качество работы преобразователя напряжения во многом зави-
сит от правильного подбора емкости конденсатора С4. Конденсатор подо-
бран правильно, если при колебаниях питающего напряжения в пределах
±10% обеспечено четкое попеременное закрывание ключей.
Применение разделительных конденсаторов С2 и СЗ повышает ста-
бильность работы преобразователя. Резистор R3 предохраняет источ-
ник питания от короткого замыкания в моменты переключения клю-
чей. Частота выходного напряжения устройства при указанных данных
равна 200 Гц. *-
Если предусмотреть возможность изменения частоты автогенет
ратора (например, вместо автогенератора собрать регулируемый по
частоте мультивибратор с усилителем мощности), то на выходе пре-
образователя можно получить напряжение с частотой 50—400 Гц, что
позволит использовать его для плавного регулирования скорости вра-
щения синхронных электродвигателей мощностью до 500 Вт.
Изменяя соответствующим образом число витков вторичной
обмотки трансформатора Т2, можно получить на выходе преобразова-
теля напряжения различной величины.
Элементная база. Трансформатор Т1 намотан на сердечнике
11116*10 и имеет обмотки: I — 2*40 витков ПЭВ-2-0,8, II - 2*10 витков
ПЭВ-2-0,2 и III - 2*20 витков ПЭВ-2-0,2. Трансформатор Т2 намотан на
сердечнике Ш50х60 и имеет обмотки: I — 2*40 витков ПЭВ-2-3,0 и II —
800 витков ПЭВ-2-0,92. При таких данных выходное напряжение преоб-
разователя составляет 400 В.
Подробное описание схемы приводится в [50].
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Преобразование постоянного напряжения 12 В в пере-
менное от 220 В частотой именно S0 Гц для питания различной радио-
электронной аппаратуры, чувствительной к частоте питающей сети.
Особенности. Иногда, при отсутствии сетевой проводки, возникает
необходимость питать бытовые электроприборы от бортовой сети авто-
мобиля. В литературе описано немало простейших преобразователей с
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
283
+9...14В
Рис. 6.8. Схема импульсного преобразователя напряжения с 12 В на 220 В 50 Гц
12 на 220 В, но работающих на повышенной частоте питающего напря-
жения. Для осветительной лампц или электронной удочки это еще
допустимо, но не все бытовые приборы, рассчитанные на частоту сети
50 Гц, могут работать на более высоких частотах.
Кроме того, многие из опубликованных схем не имеют защиты от
перегрузки на выходе. К данному преобразователю могут подключаться
любые бытовые приборы мощностью до 100 Вт (при использовании
более мощного трансформатора ее можно увеличить).
Предложенная схема преобразователя (рис. 6.8) работает на частоте
50 Гц и имеет защиту от перегрузки по току. Кроме того, данный преоб-
разователь дает на выходе форму сигнала, более приближенную к сину-
соиде, что снижает уровень высокочастотных гармоник (помех).
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — 200 В переменное. Частота — 50 Гц. Мощность нагрузки —
до 100 Вт. Преобразователь потребляет на холостом ходу не более 1 А, а с
нагрузкой — ток увеличивается пропорционально мощности.
Схема. Устройство собрано на специально предназначенной для
импульсных источников питания микросхеме 1114ЕУ4 (импортный
аналог TL494CN). Это позволяет уменьшить число применяемых дета-
лей и сделать схему довольно простой.
284
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Внутри микросхемы имеется автогенератор со схемой для получе-
ния выходных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, а также
ряд дополнительных узлов, обеспечивающих ее расширенные воз-
можности. Выходные ключи микросхемы рассчитаны на ток не более
200 мА, и, чтобы управлять большей мощностью, выходные импульсы
поступают на базы ключевых транзисторов VT1, VT2. Диод VD1 предот-
вращает повреждение схемы при ошибочной полярности подключения
питания (перегорит только входной предохранитель FU1).
Защита по току на 1А устанавливается резистором R10. Это позво-
ляет предотвратить повреждение преобразователя в случае пере-
грузки или короткого замыкания по выходу, так как схема начинает
снижать выходное напряжение, переходя в режим стабилизации тока.
Преобразователь не имеет обратной связи по выходному напряжению,
так как опыт практической эксплуатации показывает, что оно незначи-
тельно меняется при изменении мощности подключенной нагрузки и
не выходит за рамки допустимого диапазона 190—240 В.
Наладка. Налаживание устройства начинается при отключенном
трансформаторе с установки частоты задающего генератор 100 Гц с
помощью времязадающей цепи из резистора R1 и конденсатора С4.
Так как микросхема имеет двухтактный выход, выходная частота равна
половине частоты автогенератора (50 Гц на выходах 8 и 11).
Резистором R7 настраивается форма выходных импульсов микро-
схемы в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 6.9. После
этого подключается трансформатор, и при напряжении питания схемы
от 12-вольтового источника резистором R7 выставляется номинальное
напряжение во вторичной цепи 220 В (измерять стрелочным измери-
тельным прибором). Это делается при подключенной нагрузке мощно-
стью 25—60 Вт. Цепь из резистора
R12 и конденсатора С9 может
потребовать подбора номиналов,
для того чтобы убрать выбросы в
трансформаторе по фронтам сиг-
нала в момент переходных про-
цессов при коммутации тока.
Элементная база.
Транзисторы устанавлива-
ются на радиатор с площадью
поверхности не менее 300 см.
Трансформатор Т1 придется
изготовить самостоятельно.
Использован магнитопровод типа
ПЛМ27х40-73 или аналогичный.
U(B)i
Выв. 8 DA1
12В
Выв. 11DA1 >
12В
XS1 j
240 В
1
U
J U
J
U
и
п
и
г.'
t
Рис. 6.9. Форма
выходных импульсов микросхемы
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное 285
Обмотки I и II содержат по 14 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 2 мм;
обмотка III содержит 700 витков провода диаметром 0,5 мм. Обмотки I
и II должны быть симметричными — это условие легко выполняется при
их одновременной намотке (сразу двумя проводами). Предохранитель
на 10 А можно сделать из медного провода диаметром 0,25 мм.
Подробное описание схемы приводится в [171].
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 80 Гц
(DC-AC Step-Up rl2/~220 V 80 Hz)
Назначение. Обеспечение резервного питания в случае отключения
напряжения сети.
Особенности. В быту, особенно в сельской местности, нередки слу-
чаи, когда неожиданно отключают электроснабжение. В такой ситуации
выручить может аварийное электропитание. В качестве первичного
источника для него наиболее доступна автомобильная стартерная акку-
муляторная батарея напряжением 12 В. Энергии, которую она способна
отдать, вполне достаточно для питания в течение нескольких часов
телевизора, осветительной лампы и других бытовых приборов.
При разработке аварийного преобразователя обычно возникает
проблема получения на его выходе синусоидального напряжения. Но
далеко не всем потребителям энергии оно необходимо. Так, лампам
накаливания и нагревательным приборам форма напряжения совер-
шенно безразлична, важно, чтобы „его эффективное значение было
равно номинальному сетевому. В импульсных блоках питания теле-
визоров и компьютеров переменное напряжение предварительно
выпрямляется. Поэтому необходимо, чтобы его амплитудное значение
было таким же, как в сети — в 1,4 раза больше эффективного.
Выполненные по традиционным схемам трансформаторные
блоки питания многих УМЗЧ, радиоприемников и магнитофонов
также способны работать при несинусоидальной форме напряжения.
Предлагаемое устройство генерирует биполярные прямоугольные
импульсы амплитудой около 300 В такой скважности, что их эффек-
тивное напряжение составляет 220 В. Частота преобразования выбрана
равной 80 Гц, что несколько облегчает режим работы трансфЬрмато-
ров питания большинства потребителей. Правда, при такой частоте не
будут нормально работать те устройства, в которых имеются электро-
двигатели переменного тока — проигрыватели грампластинок, кату-
шечные магнитофоны, вентиляторы и некоторые другие.
В связи со сравнительно низким напряжением первичного источ-
ника (12 В) на КПД преобразователя существенно влияет падение
напряжения на используемых в нем электронных ключах. Для боль-
286
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
шинства кремниевых транзисторов характерно напряжение насыще-
ния более 1 В, у германиевых оно значительно меньше. Испытания
показали, что наилучшие результаты имеет ключ, выполненный на
кремниевом транзисторе с уменьшенным напряжением насыщения —
КТ863А и германиевом — 1Т813В. При токе 10 А падение напряжения на
нем не превышает 0,6 В.
Характеристики. Напряжение питания — 12 В. Максимальная
выходная мощность —180 Вт. Максимальный потребляемый ток — 20 А.
КПД — 90%. Частота выходного напряжения — 80 Гц.
Схема. Схема аварийного преобразователя для питания бытовой
аппаратуры от автомобильной аккумуляторной батареи показана на
рис. 6.10.
На микросхеме DD1 собран задающий генератор. После включе-
ния напряжения питания длительность генерируемых им импульсов
очень мала. По мере зарядки конденсатора С2 через резистор R4 она
увеличивается до рабочей, чем обеспечивается плавный запуск преоб-
разователя. С каждым импульсом задающего генератора триггер DD2.1
изменяет состояние. Сигналы с его прямого и инверсного выходов поо-
чередно открывают транзисторы VT3 и VT4, управляющие силовыми
ключами на транзисторах VT5—VT8.
С1 и 0,1 мк
12 В С4.
0,1 мк"
VD10
-W-
VD11
КД208А
Т2
4
VD12
КД208А
С7
220 мк
25 В
R16
300
VT1.VT2 VD1.VD2.VD4...VD7 VT3.VT4 VT5,VT6 VD9.VD10 VT7.VT8 DD1 К561ЛЕ5
КТ361Г КД522А КТ3102А КТ863А КД2995А 1Т813В DD2 К561ТМ2
Рис. 6.10. Схема резервного источника питания
на базе автомобильной аккумуляторной батареи напряжением 12 В
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное 287
Триггер DD2.2 ограничивает длительность открытого состояния
транзисторов. Фронт импульса на выходе элемента DD1.1 устанав-
ливает этот триггер в состояние, соответствующее высокому уровню
напряжения на выходе 13. Дифференцирующая цепь С5, R7 формирует
импульс, сбрасывающий триггер по окончании импульса задающего
генератора. Уровень напряжения на выходе 13 становится низким и,
благодаря диодам VD6 и VD7, один из транзисторов — VT3 или VT4,
который был открыт, закрывается.
В рабочем режиме сигналы на выводе 13 DD2 и выводе 3 DD1 иден-
тичны. Напряжение на обмотке 4-6 трансформатора тока Т1, нагру-
женной резистором R6, пропорционально току, протекающему через
силовые ключи. Если оно превысит 1,2 В, один из транзисторов — VT1
или VT2 (в зависимости от полярности) — откроется и сбросит триггер
DD2.2. В результате оба силовых ключа будут закрыты. Таким образом,
в схеме осуществляется защита от перегрузки по току.
Дроссель L1 ограничивает скорость нарастания тока через силовые
ключи. Когда они закрыты, энергия, накопленная в магнитном поле
дросселя, возвращается через диод VD8 в источник питания. Диоды VD11,
VD12 и цепь R16, С7 гасят выбросы напряжения на силовых ключах.
Печатная плата. Маломощные узлы преобразователя смонтиро-
ваны на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотек-
столита. Силовая часть выполнена навесным монтажом, причем тран-
зисторы VT7 и VT8 снабжены теплоотводами площадью по 160 см. На
тех же теплоотводах установлены диоды VD9 и VD10.
Элементная база и аналоги. К'большинству деталей не предъявля-
ется жестких требований. В качестве С1 не следует применять керами-
ческий конденсатор, емкость которого сильно зависит от температуры.
Транзисторы VT3 и VT4 должны иметь коэффициент передачи тока не
менее 60. При отсутствии транзисторов 1Т813В их заменяют аналогич-
ными с другим буквенным индексом. В крайнем случае, можно при-
менить ГГ806А или П210, однако выходная мощность преобразователя
в результате такой замены уменьшится. Необходимо будет изменить и
порог срабатывания токовой защиты, увеличив номинал резистора R6
до 16 Ом.
Транзисторы КТ863А заменять другими не рекомендуется, в край-
нем случае, допустимо использовать КТ863Б. Применение транзисто-
ров с более высоким напряжением насыщения отрицательно скажется
на КПД преобразователя. Диоды КД2995А допускается заменять на
КД2997,КД2999,КД213А.
Моточные элементы. Трансформатор тока Т1 намотан на Ш-образном
магнитопроводе из электротехнической стали сечением 0,56 см. Обмотка
1-3 представляет собой два витка медной ленты шириной по размеру кар-
288 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
каса и толщиной 0,1 мм с отводом от середины, обмотка 4-6 — 260 витков
провода ПЭВ-1-0,3 мм, также с отводом от середины.
Трансформатор Т2 изготовлен на базе ТС-180 от телевизора УНТ-
47/59. Его сетевая обмотка служит в преобразователе выходной. Все
вторичные обмотки удалены, на их месте намотаны две первичных по
35 витков провода ПЭВ-1 01,6 мм каждая. Годится любой другой транс-
форматор подходящей мощности, имеющий сетевую обмотку и две на
напряжение 8 В каждая. Дроссель L1 намотан на ферритовом магнито-
проводе Ш 16х20 с немагнитным зазором 1,1 мм. Его обмотка 1-2 содер-
жит девять витков провода ПЭВ-1 01,6 мм, а 2-3 — 17 витков провода
ПЭВ-1 01 мм.
Наладка. Налаживание преобразователя сводится к установке
частоты импульсов задающего генератора. Она должна быть равна
160 Гц при скважности 2. Генератор настраивают, не подавая напряже-
ние питания на силовые ключи. Дл£ этого достаточно разорвать про-
водник, соединяющий вывод 2 дросселя L1 с положительным полюсом
аккумуляторной батареи.
Частоту и скважность импульсов контролируют на выводе 3 микро-
схемы DD1, добиваясь нужных значений подбором резисторов R2 и R3.
После этого, восстановив цепь питания ключей, следует убедиться, что
эффективное значение выходного напряжения равно 220 В (его следует
измерять вольтметром электромагнитной системы, так как обычный
авометр выдаст неверные показания).
Изменяя сопротивление резистора R3, можно в небольших пределах
регулировать выходное напряжение.
Подробное описание схемы приводится в [19].
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Питание от автомобильного аккумулятора радиоэлек-
тронных устройств, требующих напряжение питания 220 В 50 Гц.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Выходное напря-
жение — 220 В 50 Гц. Мощность нагрузки — 5 Вт. При увеличении
нагрузки от нулевой до максимальной выходное напряжение умень-
шается с 250 В до 200 В, что для большинства устройств является при-
емлемым. При этом потребляемый устройством ток увеличивается с
80 до 630 мА.
Схема. Преобразователь напряжения (рис. 6.11) обеспечивает
сетевое напряжение 220 В 50 Гц на нагрузке мощностью до 5 Вт. Он
состоит из задающего генератора с частотой 100 Гц и триггера-дели-
теля на ИМС IC1, мощных МОП-ключей VT1, VT2 и 6-ваттного сете-
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
289
О+12В
о Общ.
квыв.71С1
Рис. 6.11. Схема преобразователя напряжения 12 В - 220 В
вого трансформатора с вторичными обмотками 2*9 В, включенного
как повышающий.
Подробное описание схемы приводится в [128].
Преобразователь напряжения =12 В в -220 В 50 Гц
(DC-AC Step-Up =12/~220 V 50 Hz)
Назначение. Питание от автомобильного аккумулятора радиоэлек-
тронных устройств, требующих напряжение питания 220 В.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Выходное напряже-
ние — 220 В. Аккумулятор использован на 12 В (4 А-ч).
Схема. Предлагаемая схема преобразователя (рис. 6.12) отличается
простотой изготовления, выполнена на минимальном количестве дета-
лей. Каких-либо особенностей устройство не имеет, в наладке не нужда-
ЗСИ
СЗ
=|=0,1 мк=т=2,2мк
600 В
С4
DQ
400 В
Рис. 6.12. Схема преобразователя 12 В- 220 В на ИМС CD4047
с использованием стандартного трансформатора
290 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
ется. Преобразователь может быть использован в качестве резервного
источника питания.
Трансформатор применен готовый — от обычного блока питания, но
в обратном включении. Он имеет две обмотки на 9 В с максимальным
током нагрузки 1,2—1,5 А и сетевую обмотку на 220 В.
Подробное описание схемы приводится в [109].
Преобразователь напряжения =13,6 В в -36, -127, -220 В
(DC-AC Step-Up =12/~36, -127, -220 V)
Назначение. Питание потребителей переменного тока от автомо-
бильной бортовой сети (12 В).
Особенности. Для автотуриста, особенно на длительном при-
вале, единственным источником электроэнергии служит аккумуля-
торная батарея автомобиля. Поэтому, естественно, и все походные
осветительные и нагревательные приборы питаются от нее. А если в
дороге понадобятся приборы, рассчитайные на напряжения 36, 127
или 220 В? Ничего страшного. Выручит преобразователь напряжения.
Описываемое устройство позволяет питать электропаяльник на напря-
жение 36 В, электробритву и другие приборы.
Характеристики. Входное напряжение —12 В постоянное. Выходное
напряжение — 36,127 и 220 В переменное. Максимальная мощность
нагрузки преобразователя — 40 Вт. Ток, потребляемый от аккумулятор-
ной батареи, — 4 А.
Схема. Принципиальная схема преобразователя показана на
рис. 6.13. Вилкой ХР1 преобразователь подключают к прикуривателю
или розетке, соединенной с аккумуляторной батареей автомобиля. С
целью уменьшения габаритов конструкции преобразователя частота
задающего генератора, собранного на элементах DD1.1 и DDL2,
выбрана около 25 кГц.
Элементы DD1.3 и DD1.4 образуют буферный каскад, нагрузкой кото-
рого служит обмотка I согласующего транЬформатора Т1. Импульсы
напряжения на обмотках II и III трансформатора управляют мощ-
ными ключевыми транзисторами VT1, VT2. При этом ток в первичной
обмотке трансформатора Т2 преобразователя достигает в импульсе 8 А,
что обеспечивает требуемую мощность на его вторичных обмотках.
Напряжение питания на элементы задающего генератора и буферного
каскада поступает через развязывающий фильтр L1, С4—С7.
Чтобы генератор вырабатывал сигнал симметричной формы —
меандр, необходимый для управления транзисторными ключами, в
него введена цепочка Rl, VD1, выравнивающая длительность зарядки и
разрядки конденсатора С1. Обмотка III трансформатора Т2 рассчитана
Глава 6. Схемотехника преобразователей постоянного напряжения в переменное
291
VD1
Kbnb.7DD1
Рис. 6.13. Схема преобразователя напряжения бортсети автомобиля
в переменное напряжение 36,127 и 220 В
на подключение к ней (через разъемы XS1, XS2) приборов на напряже-
ние 36-40 В.
Отводом обмотки можноизменять мощность, потребляемую нагруз-
кой, например, подбирать температуру нагрева жала электропаяль-
ника. Обмотка II этого трансформатора предназначена для питания
приборов, рассчитанных на переменные напряжения 127 и 220 В. Часть
напряжения, снимаемого с верхней по схеме секции обмотки, выпрям-
ляется диодами VD4—VD7, включенными по схеме моста. В результате
на разъеме XS5 действует постоянное напряжение 115 В — для пита-
ния электробритвы с коллекторным электродвигателем. Впрочем, это
напряжение может иметь другое значение — в зависимости от конкрет-
ной модели электробритвы.
Цепи преобразователя, по которым течет большой ток, следует
выполнять проводом диаметром не менее 2 мм возможно минималь-
ной длины. Это требование относится и к проводам, соединяющим пре-
образователь с аккумуляторной батареей.
Аналоги. Микросхема DD1 преобразователя может быть К561ЛЕ5,
диод VD1 — любой высокочастотный малогабаритный, транзисторы
VT1 и VT2 — КТ827 с буквенными индексами Б, В. Индуктивность
дросселя L1 может быть 10—200 мкГн. Трансформатор Т1 выполнен на
292 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
кольце типоразмера К20*12*6 из феррита 2000НМ. Обмотка I содержит
120 витков, а обмотки II и III — по 45 витков провода ПЭВ-2-0,2.
Магнитопроводом трансформатора Т2 служат два склеенных вме-
сте кольца типоразмера К32*20*9 из феррита 2000НМ. Его обмотка I
содержит 4,5 витка провода ПЭВ-2-2,0, обмотка II — 88 витков провода
ПЭВ-2-0,4 (от воды от 36 до 50-го витков, считая от начала), обмотка III —
16 витков провода ПЭВ-2-1,0 (отвод от 14-го витка). Перед намоткой
провода острые грани колец надо сгладить надфилем, после чего обмо-
тать магнитопровод лакотканью или изоляционной лентой.
Наладка. Налаживание преобразователя напряжения заключается
в следующем. Сначала подбором резистора R1 добиваются на выходе
буферного каскада импульсного сигнала, близкого по форме к меандру.
Затем, в случае необходимости, подбором конденсатора С1 устанав-
ливают частоту задающего генератора, равную 25—27 кГц. Ток, потре-
бляемый преобразователем без нагрузки, должен составлять примерно
500 мА.
Примечание.
Аналогичный преобразователь можно приспособить для мото-
цикла. Для нагрузок, рассчитанных на другие напряжения, нужно
лишь пересчитать данные трансформатора 12.
D
Подробное описание схемы приводится в [92].
ГЛАВА 7
СХЕМОТЕХНИКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ИМПУЛЬСНОЕ
7.1. Принцип действия преобразователей
переменного напряжения в импульсное
Рассмотрим принцип действия преобразователей переменного
напряжения в импульсное на примере простого устройства — электро-
зажигалки для газовой плиты. Фактически это высоковольтный преоб-
разователь 220 В - 10 кВ.
Вариант №1: схема простая.
Назначение. Электроподжиг в газовой плите.
Особенности. Конструкция зажигалок проста, не содержит дефи-
цитных деталей, несложная в наладке. Особенность схемы в том, что
она питается напряжением переменного тока непосредственно от сети
через конденсатор С1 и резистор R1. Уже работает несколько десятков
таких схем, и все они действуют безотказно.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В от осве-
тительной электросети. Выходное напряжение — 10 кВ. Частота следо-
вания импульсов поджига — 5—10 Гц.
Схема. Принципиальная схема преобразователя напряжения приве-
дена на рис. 7.1. Диод VD1 в данной схеме работает в режиме лавинного
пробоя обратным напряжением, т. е. представляет собой, по сути дела,
быстродействующий стабилитрон, в паре с тиристором VS1 представ-
ляет собой аналог динистора (например, вместо них можно включить
два последовательно соединенных динистора КН102В).
Диод VD2 защищает тиристор VS1 от
обратного напряжения самоиндукции Ц?
обмотки I трансформатора Т1 и улуч- о—^~-||-
шает работу генератора. Генератор выра—22ов о,25мк сг
батывает короткие импульсы с частотой о о.чмк-у vd2 кдю2а|
несколько сот герц, которые затем инду- Рис 7Лт Схема зажигата для газа -
цируются В обмотке II трансформатора высоковольтного преобразователя
Т1 до 10 кВ и пробивают разрядник. 22° в~1ОкВ
294 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Моточные элементы. Трансформатор Т1 — без сердечника, намо-
тан на катушке из капрона (оргстекла, фторопласта) диаметром 8 мм и
состоит из трех секций, ширина каждой из которых — 9 мм.
Совет.
Удобно использовать для Т1 готовые капроновые швейные шпульки,
склеив их между собой.
Сначала наматывается обмотка II — 3><1000 витков проводом ПЭТВ
или ПЭВ-2 диаметром 0,12 мм. Входной конец провода в каждой секции
должен быть тщательно изолирован с помощью фторопластовых трубок
или лакоткани, иначе произойдет пробой изоляции.
Всю катушку Т1 парафинят в водяной бане несколько минут. Затем
обмотку II в каждой секции обматывают 2-3 слоями изоленты и поверх
изоляции укладывают обмотку 1 — 3><10 витков проводом ПЭВ-2 диа-
метром 0,45 мм.
Элементная база и аналоги. Резистор R1 выбирается с номиналом
в пределах 12-16 кОм. Диоды VD1 - Д219А, Д220, Д223; VD2 - КД102А,
КД105, Д226Б. Тиристор VS1 - КУ101Е, Г, Можно также и КУ102, КУ201,
КУ202 с обратным напряжением не менее 150 В. В качестве кнопки
удобно использовать микропереключатель типа МП. Конденсаторы С1
и С2 — типа МБМ, К73 и др. на напряжение не менее 160 В.
Монтаж конструкции. Корпусом зажигалки может служить любой
футляр, к примеру, от зубной щетки. Разрядником служит спаренный
изолированный провод со стальными или медными жилами, который
помещают внутри металлической трубки. Трубка в конце рассверлива-
ется под окно. Провод закреплен на выходе эпоксидным клеем.
Наладка. Налаживание зажигалки сводится к подбору диода VD1
до возникновения надежной генерации. Пинцетом сдвигают или раз-
двигают электроды провода-разрядника до оптимального расстояния и
образования мощной искры. Последнее, разумеется, делают в выключен-
ной из сети зажигалке. Иногда еще необходимо подобрать емкость С2.
Подробное описание схемы приводится в [4].
Вариант №2: схема модернизированная.
Характеристики. Входное напряжение — переменное 220 В от осве-
тительной электросети. Выходное напряжение — 10 кВ. Частота следо-
вания импульсов поджига — 5—10 Гц.
Схема. Принципиальная схема «сетевой зажигалки» показаны на
рис. 7.2. Зажигалка состоит из двух узлов, соединенных между собой
гибким двухпроводным шнуром:
♦ вилки-переходника с конденсаторами Cl, C2 и резисторами R1,
R2 внутри;
♦ преобразователя напряжения с разрядником.
Глава 7. Схемотехника преобразователей переменного напряжения в импульсное
295
R1 1M
SB1 VD2 VS1
ТП КД105Б КН102Ж
VD1-:-
_С2„0.1_мк
Е1 КН102Ж'-
УРЗЖ(
КС620АА
VS2
КУ101Е
R2 1М
Рис. 7.2. Модернизированная схема высоковольтного преобразователя 220 В - 10 кВ
Конденсаторы С1 и С2 играют роль элементов, ограничивающих
ток, потребляемый зажигалкой, до 3—4 мА. Пока кнопка SB1 не нажата,
зажигалка тока не потребляет. При замыкании контактов кнопки диоды
VD1, VD2 выпрямляют переменное напряжение сети, а импульсы
выпрямленного тока заряжают конденсатор СЗ.
За несколько периодов сетевого напряжения этот конденсатор заря-
жается до напряжения открывания динистора VS1 (для КН102Ж — около
120 В). Теперь конденсатор быстро разряжается через малое сопро-
тивление открытого динистора и первичную обмотку повышающего
трансформатора Т1. При этом в цепи возникает короткий импульс тока,
значение которого достигает нескольких ампер. В результате на вто-
ричной обмотке трансформатора возникает импульс высокого напря-
жения и между электродами разрядника Е1 появляется электрическая
искра, которая и поджигает газ. И так 5—10 раз в секунду, т. е. с частотой
5-10 Гц.
Электробезопасность обеспечивается тем, что даже в случае нару-
шения изоляции и касания рукой одного из проводов, соединяющих
вилку-переходник с преобразователем, ток в этой цепи будет ограни-
чен одним из конденсаторов С1 или С2 и не превысит 7 мА. Короткое
замыкание между соединительными проводами также не приведет к
каким-либо опасным последствиям. Кроме того, разрядник имеет галь-
ваническую развязку от сети и также в этом смысле безопасен.
в
Примечание.
Расстояние между центрами штырьков, которыми ее подклю-
чают к стандартной сетевой розетке, должно быть 19 мм.
Диоды выпрямителя, конденсатор СЗ, динистор VS1 и трансформа-
тор Т1 монтируют на печатной плате размерами 120*18 мм, которую
после проверки помещают в пластмассовый корпус-ручку соответству-
ющих размеров.
Моточные элементы. Повышающий трансформатор Т1 выполнен
на ферритовом стержне 400НН диаметром 8 и длиной около 60 мм (отре-
зок стержня, лредназначаемого для магнитной антенны транзистор-
296 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
ного приемника). Стержень обернут двумя слоями изоляционной ленты,
поверх которой намотана вторичная обмотка — 1800 витков провода
ПЭВ-2-0,05—0,08. Намотка внавал, плавная от края к краю. Вторичная
обмотка по всей длине обернута двумя слоями изоляционной ленты и
поверх нее одним слоем намотано 10 витков провода ПЭВ-2-0,4—0,6 —
первичная обмотка.
Элементная база. Конденсаторы Cl, C2, номинальное напряжение
которых должно быть не менее 400 В, и шунтирующие их резисторы R1,
R2 монтируют в корпусе вилки-переходника, который можно изготовить
из листового изоляционного материала (полистирол, оргстекло) или
использовать для этого пластмассовую коробку подходящих размеров.
Диоды КД105Б можно заменить другими малогабаритными с допу-
стимым обратным напряжением не менее 300 В или диодами Д226Б,
КД205Б.
Конденсаторы С1—СЗ типов БМ, МБМ; первые два из них должны быть
на номинальное напряжение не менее 400 В, третий — не менее 150 В.
Аналоги. Если в вашем распоряжении не окажется динистора
КН102Ж, заменить его можно двумя или тремя динисторами этой же
серии, но с меньшим напряжением включения. Суммарное напряжение
открывания такой цепочки динисторов должно быть 120—150 В. Вообще,
динистор можно заменить его аналогом, составленным из маломощного
тринистора (КУ101Д, КУ101Е) и стабилитрона, как показано на рис. 5.2.
Напряжение стабилизации стабилитрона или нескольких стабилитронов,
включенных последовательно, должно быть 120—150 В.
Монтаж конструкции. Конструктивной основой разрядника Е1 слу-
жит отрезок металлической трубки длиной 100—150 и диаметром
3—5 мм, на одном из концов которого жестко закреплен (механически
или пайкой) металлический тонкостенный стакан диаметром 8—10 мм
и высотой 15—20 мм. Этот стакан, с прорезями в стенкам, является
одним из электродов разрядника Е1. Внутрь трубки вместе с теплостой-
ким диэлектриком, например, фторопластовой трубкой или лентой,
плотно вставлена тонкая стальная вязальная спица. Ее заостренный
конец выступает из изоляции на 1—1,5 мм и должен располагаться в
середине стакана. Это второй, центральный, электрод разрядника.
Разрядный промежуток зажигалки образуют конец центрального
электрода и стенки стакана — он должен быть 3—4 мм. С другой сто-
роны трубки центральный электрод в изоляции должен выступать из
нее не менее чем на 10 мм. Трубку разрядника жестко закрепляют в
пластмассовом корпусе преобразователя, после чего электроды разряд-
ника соединяют с выводами обмотки И трансформатора. Места пайки
надежно изолируют отрезками поливинилхлоридной трубки или изо-
ляционной лентой.
Глава 7. Схемотехника преобразователей переменного напряжения в импульсное 297
120
КЕ1
Рис. 7.3. Конструкция сетевой зажигалки
Конструкция сетевой зажигалки показана на рис. 7.3. Такое конструк-
тивное решение обеспечивает ей электробезопасность и относительно
малую массу той ее части, которую при поджигании газа держат в руке.
Описание схемы приводится в [48].
7.2. Лучшие схемы преобразователей переменного
напряжения в импульсное
Источник питания для ионизатора
Назначение. Питание для ионизатора — люстры Чижевского
Особенности. Главное достоинство данного источника питания
ионизатора — использование телевизионного умножителя УН9/27.
Ионизатор, собранный пс* предлагаемой схеме, прошел годичную
проверку и доказал свою высокую эффективность и благотворное воз-
действие на организм человека. Данный ионизатор эксплуатируется с
проволочным излучателем из нихрома диаметром 0,15 мм, натянутым
по периметру комнаты на расстоянии не менее полуметра от стен и
потолка.
Схема. Эффективная схема источника питания люстры Чижевского
изображена на рис. 7.4.
Моточные элементы. Трансформатор Т1 изготовлен из старого
строчного трансформатора ТВС-110. Первичные обмотки удаляются, и
наматывается 70 витков провода ПЭЛ, ПЭВ диаметром 0,5—0,8 мм.
Элементная база. Конденсаторы Cl, C2 — МБМ, К73-17 с рабочим
напряжением не менее 250 В; СЗ — ПОВ (рабочее напряжение 15 кВ).
Тиристоры VS1 - КУ221А, КУ202К-КУ202Н.
Резисторы R1 и R4 подбираются при настройке ионизатора под тип
излучателя и помещения (в качестве R4 можно использовать подстро-
ечный резистор).
Монтаж конструкции. Посмотрев на схему УН9/27, можно убе-
диться, что для использования в качестве умножителя отрицательного
298
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
«Корпус:
Рис. 7.4. Схема источника питания для ионизатора
напряжения его нужно включить «наоборот». Но для этого необходимо
«добраться» до точки А. Эксперимент лучше всего провести на неис-
правном умножителе, разобрав (разбив) его, и найти необходимую
точку подключения. После этого на новом умножителе следует акку-
ратно процарапать или просверлить «заливку» до надежного контакта
с необходимым проводником, подпаять к нему кусок высоковольтного
провода и заизолировать эпоксидным клеем место пайки.
Неиспользуемые выводы умножителя необходимо также заизолиро-
вать. Вход умножителя — точки «А» и «В», выход — точки «V» и «кор-
пус». Они соединяются вместе и через резистор МЛТ-2 сопротивлением
10—20 МОм подключаются к излучателю.
Подробное описание схемы приводится в [27].
Мощный преобразователь напряжения 12 В - 350 В
с генератором импульсов
Назначение. Питание от автомобильного аккумулятора радиоэлек-
тронных устройств, требующих напряжение питания 350 В.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Выходное напряже-
ние - 350 В.
Схема. Принципиальная схема преобразователя приведена на
рис. 7.5. На микросхеме DA1, прецизионном таймере КР1006ВИ1, собран
генератор тактовых импульсов с рабочей частотой примерно 50 кГц.
С выхода 3 микросхемы DA1 сигнал поступает на вход D-триггера
DDL На выходах Q и микросхемы DD1 появляются импульсы, которые
через драйверы на транзисторах VT1 и VT2 поступают на затворы клю-
Глава 7. Схемотехника преобразователей переменного напряжения в импульсное
299
R1
2к
R2I
2к!
С1
4700
СЗ +
100 м к
DA1 16 В
КР1006ВИ1
VT3
I MGP20N60U
DD1
К561ТМ2
GB1
0,01 мк SB?""] К
VD2...VD5
КД2994
С14
R21
КТ645 ?§0j*
450 В
Рис. 7.5. Схема мощного преобразователя напряжения 12 В - 350 В,
построенного с генератором импульсов
чевых транзисторов VT3, VT4, нагрузкой которых является импульсный
трансформатор Т1. Напряжение с вторичной обмотки трансформатора
выпрямляется выпрямителем на диодах VD2—VD5 и сглаживается
фильтром, состоящим из двух параллельно включенных конденсаторов
С9иС10.
Постоянное напряжение величиной 350 В поступает на тиристорный
генератор импульсов. При указанных на схеме параметрах элемен-
тов времязадающих цепей ток импульса на выходе устройства может
достигать величины 10 А (при напряжении 270—350 В). При перегрузке
частота выходных импульсов ограничивается элементами R23, VD7, С14,
которые через делитель R15, R16 подают напряжение, приостанавли-
вающее работу генератора на транзисторе VT5. Резистором R13 можно
менять длительность выходного импульса и таким образом регулиро-
300 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
вать выходную мощность. Резистором R13 подбирается частота следо-
вания выходных импульсов.
Элементная база. В устройстве применены радиодетали следующих
типов. Постоянные резисторы — МЛТ, R23 — проволочный, перемен-
ные резисторы R13 и R18 — любого типа. Неполярные конденсаторы
типа К10-17. Транзисторы VT1, VT2, VT5, VT6 - любые кремниевые
типа КТ315, КТ3102. В качестве VT3, VT4 автор применил транзисторы
фирмы Motorola, но их можно заменить на более дешевые транзисторы
отечественного производства, подобрав, соответственно, по импульс-
ному току стока (не менее 10 А).
Моточные элементы. Трансформатор Т1 применен промышлен-
ный от первичного источника питания монитора «GoldStar». В качестве
обмоток I, II использовались вторичные обмотки источника 5 В, в каче-
стве обмотки III — первичная обмотка сетевого ключа. Трансформатор
можно изготовить самостоятельно, намотав его на кольцевом феррито-
вом сердечнике марки М2000НМ типоразмера К38х16*9.
Первичные обмотки содержат по 6 витков проводом ПЭВ-2-1,5 мм.
Вторичная обмотка — 190 витков проводом ПЭВ-2 00,5 мм. Обмотки
должны быть тщательно изолированы, и после отладки конструкции их
лучше залить эпоксидной смолой.
Наладка. Настройку устройства необходимо произвести путем про-
верки работы узлов схемы осциллографом. Во время настройки в каче-
стве нагрузки необходимо подключить к выходу эквивалент нагрузки —
две последовательно включенные электролампочки мощностью по
100 Вт на 220 В.
Подробное описание схемы приводится в [154].
ГЛАВА 8
СХЕМОТЕХНИКА
СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
8.1. Особенности схем, построенных
на интегральных стабилизаторах напряжения
Выпускаемые отечественной промышленностью интегральные
стабилизаторы напряжения серий 142, К142 и КР142 позволяют про-
стыми схемными методами получить стабилизированные напряжения
в достаточно большом диапазоне. Микросхемы 142 серии нашли широ-
кое применение в радиолюбительских конструкциях.
В последние годы широкое распространение получили интеграль-
ные стабилизаторы напряжения. Источники питания на их основе
отличаются:
♦ малым числом дополнительных деталей;
♦ невысокой стоимостью;
♦ хорошими техническими характеристиками.
Различаются эти микросхемы только максимальным выходным
током и номинальным выходным напряжением, которое имеет одно
из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В. Все они практически
идентичны по схеме.
Особенности микросхем серий 142, К142 и КР142:
♦ 142ЕН1-142ЕН4, КР142ЕН1-КР142ЕН4- стабилизаторы с ре-
гулирующим транзистором, включенным в плюсовой провод
выходной цепи, и регулируемым выходным напряжением;
♦ 142EHS, 142ЕН8, 142ЕН9, К142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН5,
КР142ЕН8, КР142ЕН9 — стабилизаторы с регулирующим тран-
зистором, включенным в плюсовой провод выходной цепи, с
фиксированным выходным напряжением;
♦ 142ЕН6, К142ЕН6 — двуполярные с фиксированным выходным
напряжением;
♦ 142ЕН10, 142ЕН11 — стабилизаторы с регулирующим элемен-
том в минусовом проводе и регулируемым выходным напряже-
нием;
302 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
♦ 142ЕП1 — устройство управления ключевым стабилизатором
напряжения.
Эти микросхемы содержат встроенное устройство защиты от замы-
кания цепи нагрузки.
У радиолюбителя теперь появилась возможность снабдить каждую
плату сложного устройства собственным стабилизатором напря-
жения. А это дает возможность использовать для питания сложного
устройства общего нестабилизированного источника.
Какие это дает преимущества:
♦ значительно повышается надежность таких устройств, ведь вы-
ход из строя одного стабилизатора напряжения приводит к от-
казу только того блока, который к нему подключен;
♦ во многом снимается проблема борьбы с наводками на длин-
ные провода питания;
♦ облегчается задача борьбы с импульсными помехами, порож-
денными переходными процессами в этих цепях.
8.2. Лучшие конструкции на интегральных
стабилизаторах напряжения
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142, защищенный
от повреждения разрядным током конденсаторов
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. При наличии в выходной цепи стабилизатора напряжения
конденсатора большой емкости иногда необходимо принимать меры
по защите микросхемы, то есть по предотвращению разрядки конден-
сатора через ее цепи. Дело в том, что обычно используемые в цепях
питания устройств конденсаторы емкостью до 10 мкФ и более обла-
дают малым внутренним сопротивлением, поэтому при аварийном
замыкании той или иной цепи устройства возникает импульс тока,
значение которого может достигать десятков ампер.
И хотя этот импульс очень кратковременен, его энергии может ока-
заться достаточно для разрушения микросхемы.
Энергия импульса зависит от емкости конденсатора, выходного
напряжения и скорости его уменьшения. Для защиты микросхемы
от повреждения в подобных случаях используют диоды. В устрой-
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
303
Увых
Рис. 8.1. Схема стабилизатора
напряжения на КР142, защищенный
от повреждения разрядным током
конденсаторов
стве, выполненном по приводимой | vdi ^ кд212а
на рис. 8.1 схеме, диод VD1 защищает
микросхему DA1 от разрядного тока
конденсатора С2, а диод VD2 — от раз-
рядного тока конденсатора СЗ при
замыкании на входе СН.
Элементная база. Наиболее подхо-
дят для использования в стабилизаторах
танталовые оксидные конденсаторы,
обладающие (конечно, при необходи-
мой емкости) малым полным сопротив-
лением даже на высоких частотах: здесь
танталовый конденсатор емкостью 1 мкФ эквивалентен алюминиевому
оксидному конденсатору емкостью примерно 25 мкФ.
Подробное описание схемы приводится в [177].
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
со ступенчатым включением
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. Функции «коммутирующего» элемента в этом устройстве
выполняет транзистор VT1 (рис. 8.2). В момент включения питания
начинает заряжаться конденсатор СЗ, поэтому транзистор открыт и
шунтирует нижнее плечо делителя Rl, R2.
По мере зарядки конденсатора через
резистор R3 транзистор закрывается,
напряжение на выводе 8 DA1, а, следова-
тельно, и на выходе устройства возрас-
тает. Спустя некоторое время выходное
напряжение достигает заданного уровня.
Длительность установления выходного
напряжения зависит от постоянной вре-
мени цепи R3, СЗ. Назначение конденса-
торов С1 и С2 — то же, что и в предыду-
щей схеме.
Подробное описание схемы приво-
дится в [177].
Рис. 8.2. Схема стабилизатора
напряжения на КР142
со ступенчатым включением
304
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
с выходным напряжением повышенной стабильности
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. Как видно из схемы на рис. 8.3,
отличие этого стабилизатор напряжения от
ранее рассмотренных (рис. 8.1 и 8.2), кроме
отсутствия защитных диодов и конденсатора
СЗ, заключается в замене резистора R2 ста-
билитроном VD1.
Последний поддерживает более стабиль-
ное напряжение на выводе 8 микросхемы
DA1 и тем самым дополнительно умень-
шает колебания напряжения на нагрузке.
Недостаток устройства — невозможность
DA1
142ЕН5А
17|
Urx
I
8
~2,2мк
2
2 _
1_.
(•VD1
ЛКС147А
10В
_C2
""1 мк
Рис 8.3. Схема
стабилизатора напряжения
с выходным напряжением
повышенной стабильности
плавной регулировки выходного напряжения (его можно изменять
только подбором стабилитрона VD1).
Подробное описание схемы приводится в [177].
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
с регулируемым выходным напряжением от 0 до 10 В
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. На рис. 8.4 изображена схема
стабилизатора, выходное напряжение
которого можно регулировать от 0 до
10 В. Требуемое значение устанавливают
переменным резистором R2. При уста-
новке его движка в нижнее (по схеме)
положение (резистор полностью выве-
ден из цепи) напряжение на выводе 8
DA1 имеет отрицательную полярность,
поэтому выходное напряжение стабили-
затора напряжения равно нулю.
Рис. 8.4. Схема стабилизатор п прпрмршрния лвижка этого
напряжения с регулируемым |Ю меРе перемещения движка этого
выходным напряжением от о до ю в резистора вверх отрицательное напряже-
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения 305
ние на выводе 8 ИМС уменьшается и при некотором его сопротивлении
становится равным выходному напряжению микросхемы. При дальней-
шем увеличении сопротивления резистора выходное напряжение СН
возрастает от 0 до максимального значения.
Примечание.
Недостаток схемы - необходимость внешнего источника напряже-
ния "
Подробное описание схемы приводится в [177].
Стабилизаторы напряжения на ИМС КР142
с внешними регулирующими транзисторами
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Примечание.
Микросхемы 142ЕН5, 142ЕН8, 142ЕН9 в зависимости от типа
могут отдавать в нагрузку ток до 1,5-3 А. Однако эксплуатация
их с предельным током нагрузки нежелательна, так как требует
применения эффективных теплоотводов (допустимая рабочая
температура кристалла ниже, чем у большинства мощных тран-
зисторов). Облегчить режим работы микросхемы в подобных слу-
чаях можно, подключив к ней внешний регулирующий транзистор.
Схема. Принципиальная схема базового варианта стабилизатора
напряжения с внешним регулирующим транзистором показана на
рис. 8.5.
При токе нагрузки до 180—190 мА падение напряжения на рези-
сторе R1 невелико, и устройство работает так же, как и без транзистора.
При большем токе это падение напряжения
достигает 0,6—0,7 В, и транзистор VT1 начи-
нает открываться, ограничивая тем самым
дальнейшее увеличение тока через микро-
схему DA1. Она поддерживает выходное
напряжение на заданном уровне, как и в
типовом включении: при повышении вход-
ного напряжения снижается входной ток, а Рис. 8.5. Схема базового
следовательно, и напряжение управляющего варианта стабилизатора
>г / г —« напряжения с внешним
сигнала на эмиттерном переходе транзи- регулирующим
стора VT1, И наоборот. транзистором
306
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Примечание.
Применяя такой стабилизатор напряжения, следует иметь в виду,
что минимальная разность входного и выходного напряжений должна
быть равна сумме минимального падения напряжения на используемой
микросхеме и напряжения U регулирующего транзистора.
Внимание.
Необходимо также позаботиться об ограничении тока через
этот транзистор. Ведь при замыкании в нагрузке он может пре-
высить ток через микросхему в число раз, равное статическому
коэффициенту передачи тока транзистора, и достичь 20 А и даже
более. Такого тока в большинстве случаев достаточно для вывода
из строя не только регулирующего транзистора, но и нагрузки.
Схемы возможных вариантов стабилизаторов напряжения с
ограничением тока через регулирующий транзистор показаны на
рис. 8.6—8.8. В первом из них (рис. 8.6) эта задача решается включе-
нием параллельно эмиттерному пере-
ходу транзистора VT1 двух соединенных
последовательно диодов VD1, VD2, кото-
рые открываются, если ток нагрузки пре-
вышает 7 А.
Стабилизатор продолжает работать и
при некотором дальнейшем увеличении
тока, но как только он достигает 8 А, сра-
батывает система защиты микросхемы от
перегрузки.
16В
VT1
Рис. 8.6. Вариант №1 схемы
стабилизатора напряжения
на ИМС КР142 с ограничением
тока через регулирующий
транзистор
Рис 8.7. Вариант №2 схемы
стабилизатора напряжения
на ИМСКР142 с ограничением
тока через регулирующий
транзистор
Примечание.
Недостаток рассмотренного вари-
анта - сильная зависимость тока
срабатывания системы защиты от
параметров транзистора и диодов
(ее можно значительно ослабить,
если обеспечить тепловой контакт
между корпусами этих элементов).
Значительно меньше этот недоста-
ток проявляется в другом стабилиза-
торе (рис. 8.7). Если исходить из того,
что напряжение на эмиттерном переходе
транзистора VT1 и прямое напряжение
диода VD1 примерно одинаковы, то рас-
пределение тока между микросхемой DA1
и регулирующим транзистором зависит от
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
307
отношения значений сопротивления резисторов R2 и R1. При малом
выходном токе падение напряжения на резисторе R2 и диоде VD1 мало,
поэтому транзистор VT1 закрыт и работает только микросхема.
По мере увеличения выходного тока это падение напряжения воз-
растает, и когда оно достигает 0,6—0,7 В, транзистор начинает откры-
ваться, и все большая часть тока начинает течь через него. При этом
микросхема поддерживает выходное напряжение на уровне, определя-
емом ее типом: при увеличении напряжения ее регулирующий элемент
закрывается, снижая тем самым протекающий через нее ток, и паде-
ние напряжения на цепи R2, VDУменьшается. В результате падение
напряжения на регулирующем транзисторе VT1 возрастает, и выходное
напряжение понижается.
Если же напряжение на выходе СН уменьшается, процесс регулиро-
вания протекает в противоположном направлении. Введение в эмит-
терную цепь транзистора VT1 резистора R1, повышающего устойчи-
вость работы СН (он предотвращает его самовозбуждение), требует
увеличения входного напряжения. В то же время, чем больше сопро-
тивление этого резистора, тем меньше ток срабатывания по перегрузке
зависит от параметров транзистора VT1 и диода VD1.
Примечание.
Однако с увеличением сопротивления резистора возрастает рас-
сеиваемая на нем мощность, в результате чего снижается КПД и
ухудшается тепловой режим устройства.
В следующей схеме (рис. 8.8) транзи-
стор VT1 также выполняет функции регу-
лирующего элемента. Сопротивление
резистора R1 выбирают таким образом,
чтобы он открывался при токе нагрузки
около 100 мА. Транзистор VT2 реаги-
рует на изменение (под действием тока
нагрузки) падения напряжения на рези-
сторе R2 и открывается, когда оно дости-
гает 0,6—0,7 В, защищая тем самым регу-
лирующий транзистор VT1.
Подробное описание схем (рис. 8.6—
рис. 8.8) приводится в [177].
иВых
Рис. 8.8. Вариант №3 схемы
стабилизатора напряжения на
ИМС КР142 с ограничением тока
через регулирующий транзистор
308
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
с высоким коэффициентом стабилизации
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. Устройство, выполненное по этой схеме (рис. 8.9), обеспе-
чивает очень высокий (нестабильность не более 0,001%) коэффициент
стабилизации в широком интервале температуры и нагрузки.
Ток через стабилитрон VD1 устанавливают подбором резистора R3.
Подробное описание схемы приводится в [177].
DA1
142ЕН5А
иВых
+ С2
ТЮмк
КС156А
Рис. 8.9. Схема стабилизатора напряжения
с высоким коэффициентом стабилизации
Двуполярный стабилизатор напряжения
на основе однополярной микросхемы
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. Такой стабилизатор напряжения можно выполнить по
схеме, изображенной на рис. 8.10. Как видно, микросхема DA1 вклю-
чена по типовой схеме в плюсовое плечо стабилизатора напряжения.
Минусовое плечо содержит делитель напряжения из резисторов одина-
кового сопротивления Rl, R2, инвертирующий усилитель на ОУ DA2 и
регулирующий транзистор VT1.
ОУ сравнивает выходное напряжение плеч по абсолютной вели-
чине, усиливает сигнал ошибки и подает его в цепь базы транзистора
VT1. Если напряжение минусового плеча по какой-либо причине
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
309
становится меньше, чем
плюсового (по абсолют-
ной величине), напряже-
ние на инвертирующем
входе ОУ DA1 стано-
вится больше нуля, и его
выходное напряжение
понижается, открывая
регулирующий транзи-
стор VT1 в большей мере
и, тем самым, компен-
+Ubx
Общ.
DA1 142ЕН8Б
171 12
+15В
-Ubx
-15 В
Рис. 8.10. Схема двуполярного стабилизатора
напряжения на основе однополярной микросхемы
сируя снижение напряжения минусового плеча. Если же это напря-
жение, наоборот, возрастает, процесс протекает в противоположном
направлении и равенство выходных напряжений также восстанав-
ливается.
Подробное описание схемы приводится в [177].
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142
с регулируемым выходным напряжением
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. Стабилизатор можно сбирать по схеме, представленной на
рис. 8.11. Здесь ОУ DA2 выполняет функции повторителя напряжения,
снимаемого с движка переменного резистора R2. ОУ питается неста-
билизированным напряжением, но на его выходной сигнал это прак-
тически не влияет, так как напряжение
смещения нуля не превышает несколь-
ких милливольт.
Благодаря большому входному
сопротивлению ОУ становится воз-
можным увеличить сопротивление
делителя Rl, R2 в десятки раз (по срав-
нению со стабилизатором напряже-
ния с типовым включением микро-
схемы DA1) и, темх:амым, значительно
уменьшить потребляемый им ток.
Подробное описание схемы при-
водится в [177].
Рис. 8.11. Схема стабилизатора
напряжения с регулируемым
выходным напряжением
310
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Импульсный стабилизатор напряжения на ИМС КР142
Назначение. Питание радиолюбительских устройств.
Особенности. Различаются стабилизаторы на ИМС КР142 макси-
мальным выходным током и номинальным выходным напряжением,
которое имеет одно из следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24 и 27 В.
Схема. Импульсный стабилизатор напряжения можно выполнить по
схеме, изображенной на рис. 8.12.
При подключении источника входного напряжения, когда конденса-
тор С4 разряжен, стабилизатор DA1 открывается, падение напряжения
на резисторе R1 открывает транзистор VT1 и тот входит в режим насы-
щения. Ведь индуктивное сопротивление катушки в момент включения
довольно велико. Нарастающий ток через катушку заряжает конденса-
тор С4, и напряжение на нем повышается.
При этом увеличивается напряжение между выводами 2 и 8 микро-
схемы DA1. Далее наступает момент, ког^а оно достигает значения, рав-
ного выходному напряжению стабилизатора. Дальнейшее повышение
напряжения на конденсаторе С4 приводит к закрыванию микросхемы
и транзистора, и запасенная катушкой L1 энергия начинает поступать
в нагрузку.
Через некоторое время напряжение на конденсаторе понижается
до значения, при котором напряжение между выводами 2 и 8 DA1 ста-
новится меньше выходного напряжения стабилизатора, микросхема, а
вслед за ней и транзистор VT1, вновь открываются, и весь цикл повто-
ряется. Таким образом, в процессе работы выходное напряжение ста-
билизатора напряжения непрерывно колеблется в небольших пределах
Рис. 8.12. Схема импульсного стабилизатора напряжения на ИМС КР142
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
311
относительно значения, определяемого паспортным значением напря-
жения ИМС и параметрами делителя R8, R3, R4.
Цепь R6, СЗ и конденсатор С2 сокращают время включения стабили-
затора напряжения и тем самым повышают его КПД. Требуемое выход-
ное напряжение устанавливают подстроечным резистором R3.
о
Примечание.
На основе рассматриваемого стабилизатора на микросхеме
КР142 можно строить и другие устройства, например, стабили-
заторы тока, устройства для зарядки аккумуляторов и т. п.
Подробное описание схемы приводится в [177].
Стабилизатор тока на ИМС КР142
для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12 В
Назначение. Зарядка аккумуляторной батареи напряжением 12 В.
Схема. Стабилизатор тока можно получить, включив микросхему,
как показано на рис. 8.13.
В данном случае он предназначен для
зарядки аккумуляторной батареи 12 В.
Делитель R2, R3 ограничивает максималь-
ное выходное напряжение устройства на
уровне 14 В, резистор R1 ограничивает ток
зарядки полностью разряженной батареи
и задает выходное сопротивлений
Подробное описание схемы приво-
дится в [177].
DA1
142ЕН8А
J7
Стабилизатор тока на ИМС КР142
для зарядки аккумуляторной батареи
напряжением 6 В
Назначение. Зарядка аккумуляторной
батареи напряжением 6 В.
Особенности. Различаются стабили-
заторы на ИМС КР142 максимальным
выходным током и номинальным выход-
ным напряжением, которое имеет одно из
следующих значений: 5,6,9,12,15,20,24
и 27 В.
Схема. В стабилизаторе тока, собран-
ном по схеме на рис. 8.14, транзистор VT1
Рис. 8.13. Схема стабилизатора
тока на ИМС КР142 для зарядки
аккумуляторной батареи
напряжением 12 В
17
*ST
С1
2,2 мк
DA1
142ЕН5А»
JR1
J240
VT1
КТ815А
R2 Т-
GB1
JL6B
Рис. 8.14. Схема стабилизатора
тока ИМС КР142 для зарядки
аккумуляторной батареи
напряжением б В
312 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
выполняет функции нижнего плеча делителя (совместно с резистором
R1), управляющего работой микросхемы DA1 таким образом, что заряд-
ный ток остается все время неизменным.
Пиковое значение тока через батарею GB1 зависит от сопротивления
резистора R3 (при указанном на схеме сопротивлении 1 Ом составляет
0,6 А).
Подробное описание схемы приводится в [177].
8.3. Принцип действия импульсных
стабилизаторов напряжения
Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор
напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом
режиме. Большую часть времени схема находится:
♦ либо в режиме отсечки, когд^его сопротивление максимально;
♦ либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением,
а, значит, может рассматриваться как ключ.
Ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопро-
тивление прохождению тока с минимального на максимальное, и нао-
борот.
Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию
интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопле-
ния им энергии и снижается по мере отдачи ее в нагрузку.
Интегратор — элемент, напряжение на котором не может измениться
мгновенно, а плавно растет по мере накопления им энергии и так же
плавно падает по мере отдачи ее в нагрузку.
8.4. Лучшие конструкции стабилизаторов
напряжения на различной элементной базе
Релейный стабилизатор напряжения
Назначение. Обеспечение номинального выходного напряжения
при глубоком снижении напряжения в сети. Предназначен для питания
многих видов бытовой электронной аппаратуры, для которых пред-
почтителен стабилизатор, не вносящий искажений синусоидальной
формы выходного напряжения.
Особенности. Стабилизатор имеет четыре ступени регулирования
выходного напряжения. Это позволило существенно расширить зону
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
313
стабилизации — 160—250 В. При этом выходное напряжение остается
в пределах нормативов на напряжение питания телевизионных при-
емников цветного изображения.
Схема. Принципиальная схема релейного стабилизатора представ-
лена на рис. 8.15.
В электронный блок входят два ключа на транзисторах VT1 и VT2,
коммутирующие реле Kl, K2 и три пороговых устройства, каждое из
которых представляет собой делитель напряжения из резисторов и ста-
билитрона. Первое пороговое устройство — R2, VD3, R3, второе — VD5,
R4, R6, третье — R5, VD6, R6. Блок управления питается от выпрямителя
на диодах VD1 и VD2 с фильтрующим конденсатором С2. Конденсаторы
СЗ и С4 устраняют кратковременные изменения (выбросы) сетевого
напряжения. Резистор R1 и конденсатор С1 — «искрогасительная» цепь.
Диоды VD4 и VD7 защищают транзисторы от напряжения самоиндук-
ции обмоток реле, которое возникает при закрывании транзисторного
ключа.
В случае идеальной работы пороговых устройств и трансформатора
каждая из четырех ступеней регулирования обеспечивала бы интервал
значений напряжения 198—231 В, а допустимое сетевое напряжение
могло бы быть в пределах от 140 до 260 В.
D
Примечание.
Однако на практике необходимо учитывать разброс параметров
деталей и узлов, а также изменение коэффициента передачи
трансформатора при изменении его нагрузочного режима.
R1 33
С1 ~К нагрузке
0,05 мк
400 В
R5M КД522А2^ I—г-1
1кИ | ,,
X7VD6
L I КС222Ж
6В
2к
Рис. 8.15. Схема релейного стабилизатора напряжения
314
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
U вых. В
220
200
180
/
231
/
У
/
7
7
/
/
7
/
7
198
/
В-
140
160
180 200
220
240 UC>B
U вых i В
230
220
210
200
-- 225 В-
190
- 198 3=^
I I
I
:231 В:
-205 В-
160
180
200
220 240 UC,B
Рис. 8.16. Графики выходного напряжения
Поэтому у всех трех пороговых устройств интервалы выходного напря-
жения выбраны зауженными — по выходному напряжению 215 ±10 В (в
идеальном случае 215 ±15 В), из-за этого, соответственно, сужается и
интервал изменения сетевого напряжения до 160—250 В (рис. 8.16).
При сетевом напряжении менее 185 В напряжения с выпрямителя на
диодах VD1 и VD2 недостаточно, чтобы открылось хотя бы одно порого-
вое устройство — все три стабилитрона закрыты, а положение контактов
реле соответствует показанному на схеме. При входном сетевом напря-
жении 160 В выходное напряжение будет равно 198 В. Напряжение на
нагрузке равно напряжению сети плюс напряжение вольтодобавки,
снимаемое с обмоток II и III трансформатора Т1.
В интервале сетевого напряжения 185—205 В открыт стабилитрон
VD5. При этом вступает в работу второе пороговое устройство. Ток про-
текает через обмотку реле К1, стабилитрон VD5 и резисторы R4 и R6.
Этот ток недостаточен для срабатывания реле К1.
Падение напряжения на резисторе R6 открывает транзистор VT2.
В результате этого срабатывает реле К2 и контактами К2.1 переклю-
чает обмотки трансформатора так, что теперь источником вольтодо-
бавки служит только обмотка II. При сетевом напряжении в пределах
205—225 В открывается стабилитрон VD3, то есть ток протекает через
первое пороговое устройство. Открывается транзистор VT1, вследствие
чего закрывается второе пороговое устройство, а, значит, и транзистор
VT2, реле К2 отпускает якорь. Срабатывает реле К1 и переключает кон-
такты К1.1. При таком состоянии контактов реле ток нагрузки минует
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения 315
обмотки И и III трансформатора, то есть вольтодобавка равна нулю. На
нагрузке повторяется сетевое напряжение — 205—225 В.
В интервале сетевого напряжения 225—245 В открывается стабили-
трон VD6. Это означает, что вступает в работу третье пороговое устрой-
ство, и оказываются открытыми оба транзисторных ключа; включены
оба реле — К1 и К2. Теперь в цепь тока нагрузки оказывается вклю-
ченной обмотка III трансформатора Т1, но в противофазе с сетевым
напряжением («минусовая» вольтодобавка). На нагрузке в этом случае
также будет напряжение в пределах 205—225 В. При сетевом напряже-
нии 250 В выходное напряжение стабилизатора увеличится до 230 В, не
превышая допустимого предела 220 В +5%.
Налаживание. Границы напряжения ступеней регулирования опре-
деляет напряжение стабилизации стабилитронов, входящих в пороговые
устройства. При налаживании границы ступеней регулирования необхо-
димо устанавливать подборкой стабилитронов, которые, как известно,
отличаются значительным разбросом напряжения стабилизации.
Элементная база и аналоги. Если окажется, что подходящего экзем-
пляра подобрать не удается, можно использовать последовательное
включение стабилитрона с одним-двумя диодами (в прямом включе-
нии). Вместо КС218Ж (VD5) можно использовать стабилитрон КС220Ж.
Этот стабилитрон обязательно должен быть двуханодным. Дело в том,
что в интервале сетевого напряжения 225—245 В, когда открывается
стабилитрон VD6 и оказываются открытыми оба транзисторных ключа,
цепь R4, VD5 шунтирует резистор R6,порогового устройства R5, VD6, R6.
Для устранения шунтирующего действия стабилитрон VD5 должен
быть двуханодным. Напряжение стабилизации стабилитрона VD5 не
должно превышать 20 В. Стабилитрон VD3 следует подбирать из серии
КС220Ж (напряжение стабилизации равно 22 В); можно использо-
вать цепь из двух стабилитронов — Д810 и Д811. Стабилитрон КС222Ж
(VD6) — на 24 В — можно заменить цепью из стабилитронов Д810 и
Д813. Транзисторы в стабилизаторе могут быть любыми из серии
КТ3102. Диоды — также любые из указанных серий. Реле К1 и К2 —
РЭН34, паспорт ХП4.500.000-01.
Моточные элементы. Трансформатор выполнен на магнитопро-
воде ОЛ50/80-25 из стали Э35О (или Э360), толщина ленты - 0,08 мм.
Обмотка I (для номинального напряжения 220 В) должна содержать
2400 витков провода ПЭТВ-2-0,355. Обмотки II и III — одинаковые,
по 300 витков провода ПЭТВ-2-0,9 (13,9 В). Налаживать стабилизатор
нужно при включенной реальной нагрузке, чтобы была учтена реак-
ция трансформатора Т1 на нагрузку, поскольку коэффициент передачи
незначительно уменьшается при переходе от режима холостого хода к
режиму полной нагрузки.
316
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
При работе только одной обмотки II коэффициент передачи будет
меньше, чем на холостом ходу, и еще меньше, когда работают обмотки
II и III одновременно. Когда работает только обмотка III, коэффициент
передачи близок к режиму холостого хода, так как при этом происходит
компенсация потерь из-за «встречного» тока в ней в интервале значений
сетевого напряжения 225—250 В. Изменение коэффициента передачи
вызывает незначительное — на доли вольта — изменение напряжения
включения пороговых устройств. Это небольшое изменение, умноженное
на коэффициент трансформации трансформатора Т1, сдвигает пределы
выходного напряжения уже на несколько вольт. Вот почему необходимо
установку границ ступеней регулирования проводить только с нагрузкой.
Подробное описание схемы приводится в [55].
Ключевой стабилизатор напряжения 5 В 2 А
Назначение. Питание цифровой электронной аппаратуры с током
потребления до 2 А.
Особенности. Выполнен по классической схеме, схемных особенно-
стей не имеет.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора представлена на
рис. 8.17.
220 мк
25 В
VDI-Г"1 VD2 - -I \~s Л «СЗ...С7
КД219Б^ KC139A^ VT4 W}\ 470мк
-[-— jj-1 КТ315бЩ1-6к_|_ J_6,3B
СЗ
С7
Рис.8.17. Схема ключевого стабилизатора напряжения 5 В2А
Дроссель L1 стабилизатора содержит 11 витков, намотанных жгутом
из восьми проводников ПЭВ-1-0,35: Обмотку помещают в броневой
магнитопровод Б22 из феррита 2000НН. Между чашками нужно зало-
жить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм.
Более подробно эта схема описывается в [121].
Широтно-импульсный стабилизатор 5 В 3 А
Особенности. Это сравнительно простой ШИ стабилизатор с защитой
от КЗ. Он проще аналогичных, не содержит дефицитных деталей и позво-
ляет монтировать регулирующий транзистор непосредственно на корпусе
устройства. В этом случае специальный теплоотвод для него не нужен.
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
317
Рис. 8.18. Схема пятивольтового источника питания
с ШИ стабилизатором с защитой от КЗ
Его недостатки (присущие всем стабилизаторам с «заземленным»
транзистором) — обязательное питание от отдельной обмотки сетевого
трансформатора и повышенное напряжение холостого хода.
Характеристики. Выходное напряжение стабилизатора 5 В, макси-
мальный ток нагрузки ЗА.
Схема. Принципиальная схема стабилизатора приведена на рис. 8.18.
Сильноточная часть устройства/образованная коммутирующим
диодом VD2, накопительным дросселем L1, выходными конденсато-
рами С6, С7 и транзистором VT2, построена по схеме понижающего
импульсного стабилизатора напряжения (ИСН). Ее отличительная осо-
бенность — включение коммутирующего транзистора VT2 в минусовый
провод, что позволило «заземлить» его коллектор. Кроме того, такое
включение транзистора дает возможность ввести его в глубокое насы-
щение, благодаря чему падение напряжения на нем в открытом состо-
янии получается весьма небольшим.
Рассмотрим подробнее работу сильноточной части стабилизатора.
При открывании транзистора VT2 минусовый провод источника вход-
ного напряжения подключается непосредственно к общему «зазем-
ленному» проводу. При этом к диоду VD2 прикладывается закрываю-
щее его напряжение. Закрываясь (если был открыт), диод создает цепь
зарядки конденсаторов С6, С7 от источника входного напряжения.
Значение зарядного тока зависит от индуктивности дросселя L1 и
времени. На этом этапе работы устройства дроссель играет роль реак-
318 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
тивного сопротивления, на котором гасится разница между входным
и выходным напряжениями. В отличие от активного сопротивления,
энергия на котором рассеивается в виде тепла, дросселем она преоб-
разуется в энергию магнитного поля, т. е. аккумулируется.
После закрывания транзистора VT2 магнитная энергия, запасенная
в дросселе, преобразуясь в электрическую, продолжает поддерживать
ток зарядки конденсаторов С6, С7. Так как нагрузку подключают парал-
лельно этим конденсаторам, то во время обеих фаз — накопления энер-
гии дросселем и передачи ее в конденсаторы — они непрерывно раз-
ряжаются током нагрузки. Для поддержания на них (а, следовательно, и
на нагрузке) стабильного напряжения ключевой транзистор VT2 посто-
янно коммутируется, передавая таким образом мощность источника
входного напряжения в нагрузку.
Примечание.
Количество энергии, передаваемой за один такт работы устрой-
ства, определяется длительностью (шириной) импульсов ком-
мутирующей частоты, за что такой метод и получил название
широтно-импульсного.
Остальная часть устройства — формирователь импульсов управ-
ления транзистором VT2. Частота этих импульсов, равная примерно
28 кГц, определяется тактовым генератором, собранным на элементах
DD1.1, DD1.2. Особенность такого узла — нестандартный способ фор-
мирования ширины управляющих импульсов. В данном устройстве
они формируются подачей на пороговый элемент суммы пилообраз-
ного напряжения и инвертированного напряжения обратной связи. Это
позволило обойтись без отдельного компаратора и тем самым упро-
стить устройство в целом.
Переменное напряжение квазипилообразной формы с времязада-
ющей RC-цепи генератора через резистор R1 поступает на оба входа
элемента DD1.3, работающего в линейном режиме. Здесь оно сумми-
руется с инвертированным напряжением обратной связи, вырабаты-
ваемым этим же элементом из напряжения источника питания. Далее
оно подается на пороговый элемент, функцию которого выполняет
триггер Шмитта, собранный на элементе DD1.4 и транзисторе VT1 с
положительной обратной связью через резистор R9. Конденсатор С4
шунтирует вход 12 элемента DD1.4 по высокой частоте, тем самым
предотвращая самовозбуждение стабилизатора и его ложные пере-
ключения.
С коллектора транзистора VT1 сформированные импульсы через
резистор R12 поступают на базу транзистора VT2 и, таким образом,
управляют им. Переменный резистор R3 служит для подстройки посто-
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения 319
янной составляющей на входе элемента DD1.3 и, следовательно, регу-
лирования выходного напряжения стабилизатора.
Через резистор R6 элементы DD1.3 и DD1.4 охвачены положительной
обратной связью, несколько компенсирующей недостаточное их усиле-
ние и способствующей формированию более крутых фронтов управля-
ющих импульсов. Стабилизатор обладает триггерным эффектом — в
случае КЗ на выходе транзисторы VT1 и VT2 закрываются и тем самым
отключают нагрузку.
В таком состоянии транзисторы остаются неопределенно долго,
поскольку узел управления стабилизатора питается от выходного
напряжения, а нагрузка включена в коллекторную цепь транзистора
VT2, который изначально закрыт (резистор R11 шунтирует его эмит-
терный переход). Поэтому при пропадании выходного напряжения
стабилизатор блокируется: узел управления перестает работать, тран-
зистор VT2 закрывается и поддерживает узел управления в выключен-
ном состоянии. Для запуска стабилизатора после включения питания
предусмотрена цепь из диода VD3, резистора R10 и конденсатора С5. В
момент включения питания начальный бросок тока заряжает конден-
сатор С5 через диод VD3 и базовую цепь VT1. При этом транзистор VT1
открывается сам и открывает транзистор VT2.
На выходе стабилизатора появляется напряжение, узел управле-
ния «схватывается» и начинает работать самостоятельно. Резистор R10
предназначен для быстрой (3—5 с) разрядки конденсатора С5 после
выключения питания и подготовку стабилизатора к новому запуску.
Стабилизатор можно выключить кратковременной подачей на вход-
ной контакт «Стоп» сигнала низкогб'уровня. Это может быть полезно,
когда описываемый стабилизатор работает в составе многополярного
источника питания, и требуется, чтобы в случае аварии в других цепях
питания источник +5 В отключался.
Например, если данный стабилизатор работает совместно со ста-
билизатором источника +12 В, то контакт «Стоп» можно подключить
непосредственно к цепи +12 В: при пропадании напряжения +12 В на
этом входе появится сигнал логического 0, который тотчас же выклю-
чит и источник +5 В. Если этот вход стабилизатора использовать не пла-
нируется, то диод VD1 и резистор R7 можно удалить, а освободившийся
вывод 13 элемента DD1.4 соединить с выводом 12.
Моточные элементы. Дроссель L1, содержащий 12 витков провода
ПЭЛ-1 диаметром 1 мм, намотан на магнитопроводе Б22 из феррита
2000НМ с зазором 0,2 мм. Такой зазор образован шлифовкой торцевых
поверхностей кернов обеих чашек на глубину 0,1 мм. Обе чашки магни-
топровода необходимо склеить «жестким» клеем, например, БФ-2, или
эпоксидной смолой.
320 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Совет.
На время склеивания магнитопровод желательно аккуратно
зажать в струбцину или тиски через деревянные прокладки. Все
это обеспечит жесткий монтаж дросселя и снизит уровень аку-
стических помех, создаваемых им же. При плохой сборке магнито-
провода дросселя он слабо «жужжит» на частоте, равной удвоен-
ной частоте электросети.
Элементная база и аналоги. Коммутирующий диод 2Д219А (VD2)
можно заменить любым другим мощным диодом Шоттки, например,
2Д219Б, КД2998В, или, с некоторым снижением КПД, диодом КД213 с
буквенным индексом А или Б. Его желательно установить на теплоотвод
площадью около 20 см. Другие диоды заменимы любыми кремниевыми
маломощными, например, серий КД522, КД102. Транзистор КТ626В
(VT1) можно заменить на КТ626А, КТ626Б или другим высокочастот-
ным структуры p-n-р средней мощности, а КТ908Б (VT2) — на КТ908А
или любым из серии КТ945.
Микросхему К155ЛАЗ можно заменить только на К133ЛАЗ.
Использование аналогичных микросхем других серий недопустимо, так
как их элементы имеют меньший выходной ток и другую внутреннюю
структуру. Пользуясь стабилизатором, не следует подавать на его вход
напряжение более 15 В — это может привести к выходу из строя диода
VD2, либо к пробою выхода элемента DD1.4. В случае пробоя элемента
транзисторы VT1 и VT2 откроются, и на нагрузку будет подано полное
входное напряжение.
+Ubx
+иВых
104
Рис. 8.19. Вид печатной платы стабилизатора
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения 321
Примечание.
Устойчивость работы стабилизатора во многом зависит от
номинала резистора R1. С уменьшением его сопротивления устой-
чивость и КПД стабилизатора повышаются, но снижается коэф-
фициент стабилизации и растет уровень пульсаций, и наоборот.
Не забывайте об этой особенности.
Печатная плата. Вид печатной платы стабилизатора приводится на
рис. 8.19.
Подробное описание схемы и монтажа приводится в [163].
Импульсный понижающий стабилизатор 5 В 5 А, 10 В 2 А
Назначение. Питание низковольтных переносных устройств.
Особенности. Все больше радиолюбителей для работы в полевых
условиях применяют питание от автомобильной сети постоянного тока
для компьютеров, трансиверов, в том числе МРЗ-плейеров и прочего
электрооборудования, необходимого в поездке.
Поскольку в цифровых схемах наиболее потребляющими являются
5-вольтовые ИМС и периферийные устройства, то простейшее решение
в виде обычного линейного «гасящего» стабилизатора напряжения при
токах 5—10 А является крайне расточительным.
Поэтому в таких случаях лучше применять импульсный понижаю-
щий стабилизатор.
Характеристики. Входное напряжение — 12 В. Стабилизатор имеет
два выходных напряжения: 5 % с током нагрузки 5 А и 10 В с током
нагрузки 2 А. КПД импульсного понижающего стабилизатора порядка
90%, каких-либо особенностей он не имеет.
Схема. Принципиальная схема импульсного понижающего стабили-
затора, постороннего на ИМС LT1074 фирмы Linear Technology, пред-
ставлена на рис. 8.20.
Для формирования напряжения 10 В с током 2 А можно применить
линейный стабилизатор с малым падением напряжения. Он нормально
стабилизирует выходное напряжение 10 В при входном 10,4 В и токе
нагрузки 2 А и выполнен на транзисторах VT1—VT7. В нем VT2 выпол-
няет функцию защиты от токовых перегрузок, конденсаторы С11 и С13
улучшают импульсную характеристику.
Подробное описание схемы приводится в [173].
Импульсный стабилизатор 12 В 4,5 А
Назначение. Питание радиоэлектронный устройств стабилизиро-
ванным напряжением 12 В током до 4,5 А.
322
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
L1
ЮОмкГн
IC1 LT1074CT
L3
ЮОмкГн
R12hR16
47М 0,015 мкМ47 N8,2к
Or*
Рис. 8.20. Схема импульсного понижающего стабилизатора
Особенности. Импульсные стабилизаторы напряжения пользуются
большой популярностью у радиолюбителей. В последние годы такие
устройства строят на базе специализированных микросхем, полевых
транзисторов и диодов Шоттки. Благодаря этому технические характе-
ристики импульсных стабилизаторов напряжения значительно улучши-
лись, особенно КПД, который достигает 90%, при одновременном упро-
щении схемотехники. Описываемый стабилизатор есть результат поиска
компромисса между качественными показателями, сложностью и ценой.
Стабилизатор построен по схеме с самовозбуждением. Он обладает
достаточно высокими эксплуатационными характеристиками и надеж-
ностью, имеет защиту от перегрузок и коротких замыканий выхода, а
также от появления на выходе входного напряжения в случае аварий-
ного пробоя регулирующего транзистора.
Характеристики. Выходное напряжение при отсутствии нагрузки —
12,5 В. Выходное напряжение при токе нагрузки 4 А — 12 В. Ток сраба-
тывания защиты — 4,5 А. Напряжение пульсации (при емкости сгла-
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения
323
иВых
VD3
КС515А
С2.СЗ
ЮООмк
16В
VD1
КД213Б
Рис. 8.21. Схема импульсного стабилизатора 12 В 4,5 А
живающего конденсатора выпрямителя 4700 мкФ) — 16 мВ. Частота
преобразования (при токе нагрузки 4 А) — около 20 кГц. КПД (при токе
нагрузки 4 А) — не менее 80%. Входное напряжение — 16—27 В.
Схема. Принципиальная схема импульсного стабилизатора напря-
жения изображена на рис. 8.21. Его основа — широко распространен-
ный ОУ КР140УД608А.
Отличие от многих устройств подобного назначения в данном ста-
билизаторе:
♦ для слежения за выгодным напряжением и током перегрузки
используется общая ц$пь ООС, образуемая транзистором VT4;
♦ в качестве датчика тока используется катушка индуктивности
L2 (активная составляющая ее сопротивления), которая одно-
временно является частью LC-фильтра (L2, СЗ), уменьшающего
пульсации выходного напряжения.
Выходное напряжение определяют стабилитрон VD2 и эмиттерный
переход транзистора VT4, а ток перегрузки — нормируемое активное
сопротивление катушки индуктивности L2.
Все это позволило, в какой-то мере, упростить импульсный стаби-
лизатор напряжения, уменьшить пульсации выходного напряжения и
увеличить КПД, благодаря совмещению датчика тока с LC-фильтром.
о
Примечание.
Недостаток такого схемного решения - несколько завышенное
выходное сопротивление устройства.
В случае питания от стабилизированного источника постоянного
тока работоспособность устройства сохраняется при снижении вход-
ного напряжения практически до открытого состояния транзистора
VT3. Дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к срыву
324 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
генерации, но VT3 остается открытым. Если при этом на выходе воз-
никнет перегрузка или короткое замыкание, генерация восстанавли-
вается, и стабилизатор начинает работать в режиме ограничения тока.
D
Примечание.
Это свойство позволяет использовать его в качестве электрон-
ного предохранителя без «защелки».
Работает стабилизатор следующим образом. Из-за разного соот-
ношения сопротивления резисторов делителей R6, R7 и R8, R9 напряже-
ние на неинвертирующем входе ОУ DA1 в момент включения питания
оказывается больше, чем на инвертирующем. Поэтому на его выходе
устанавливается высокий уровень. Транзисторы VT1—VT3 открываются
и конденсаторы С2, СЗ начинают заряжаться, а катушка L1 — накапли-
вать энергию.
После того как напряжение на выходе стабилизатора достигнет зна-
чения, соответствующего пробою стабилитрона VD2 и открыванию
транзистора VT4, напряжение на неинвертирующем входе ОУ ОА1 ста-
новится меньше, чем на инвертирующем (из-за шунтирования R9 рези-
стором R10), и на его выходе устанавливается низкий уровень.
В результате транзисторы VT1—VT3 закрываются, полярность напря-
жения на выводах катушки L1 скачком изменяется на противоположную,
открывается коммутирующий диод VD1 и энергия, накопленная в катушке
L1 и конденсаторах С2, СЗ, отдается в нагрузку. При этом выходное напря-
жение уменьшается, стабилитрон VD2 и транзистор VT4 закрываются, на
выходе ОУ появляется высокий уровень и транзистор VT3 снова открыва-
ется, начиная тем самым новый рабочий цикл стабилизатора.
При увеличении тока нагрузки сверх номинального значения возрас-
тающее падение напряжения на активном сопротивлении катушки L2
начинает в большей мере открывать транзистор VT4, ООС по току стано-
вится преобладающей, а стабилитрон VD2 закрывается. Из-за действия
ООС выходной ток стабилизируется, а выходное напряжение и входной
ток уменьшаются, обеспечивая тем самым безопасный режим работы
транзистора VT3. После устранения перегрузки или короткого замыка-
ния устройство возвращается в режим стабилизации напряжения.
Как видно из рис. 8.21, транзисторы VT1 и VT3 образуют составной
транзистор. Такое схемное решение оптимально при использовании в
качестве ключевого элемента биполярного транзистора, так как в этом
случае обеспечивается относительно небольшое падение напряжения
на открытом транзисторе VT3 при относительно малых токах управле-
ния. При этом транзистор VT1 насыщается, обеспечивая оптимальные
статические потери составного транзистора, a VT3 не насыщается, обе-
спечивая оптимальные динамические потери.
Глава 8. Схемотехника стабилизаторов напряжения 325
В качестве датчика тока VT4 применен мощный транзистор серии
КТ817. В принципе, здесь возможно использование и более дешевого
маломощного транзистора. Но у мощных транзисторов при малых
рабочих токах (как в данном случае) напряжение открывания эмиттер-
ного перехода — всего около 0,4 В, тогда как у маломощных, например,
КТ3102, оно - около 0,55 В.
Таким образом, при одном и том же токе срабатывания защиты
сопротивление измерительного резистора в случае использования мощ-
ного транзистора получается меньше, обеспечивая тем самым выигрыш
в КПД стабилизатора. В описываемом импульсном стабилизаторе напря-
жения, как отмечалось, предусмотрена защита от появлений входного
напряжения на выходе при пробое регулирующего транзистора VT3.
В этом случае напряжение на стабилитроне VD3 становится более 15 В,
ток в силовой цепи резко возрастает и предохранитель FU1 сгорает.
Предполагается, что предохранитель FU1 перегорит раньше, чем это слу-
чится со стабилитроном (из-за тепловых перегрузок).
Имитация аварии (замыкание выводов коллектора и эмиттера
VT3) показала, что стабилитроны КС515А (в металлическом корпусе)
отлично защищают питаемые от импульсного стабилизатора напряже-
ния устройства: при сгорании предохранителя стабилитроны, выходя
из строя, остаются «в глубоком» коротком замыкании (не обрываются).
Такие же результаты получены при испытании стабилитронов
КС515Г, а также аналогичных импортных (в пластмассовых корпусах).
Неудовлетворительно вели себя аналогичные стабилитроны в стеклянных
корпусах — они успевали перегорать одновременно с предохранителем.
Элементная база и аналоги. В импульсном стабилизаторе напря-
жения можно применить любые транзисторы указанных на схеме
серий (кроме КТ816А в качестве VT1). Оксидные конденсаторы С2, СЗ —
зарубежного производства марки SR (приближенный аналог К5О-35).
Наиболее подходящая замена КР140УД608 - КР140УД708.
Моточные элементы. Накопительная катушка индуктивности L1
помещена в броневой магнитопровод из двух чашек 422 из феррита
М2000НМ с зазором около 0,2 мм, образованным двумя слоями само-
клеющейся бумаги. Наматывают катушку проводом ПЭЛ-1,0. Чтобы
катушка не «пищала» на частоте преобразования, чашку с обмоткой
погружают на некоторое время в резервуар с нитролаком, затем извле-
кают и дают лаку стечь. После этого чашку надевают на предварительно
вставленный в соответствующее отверстие платы стягивающий винт,
надевают вторую чашку и полученную таким образом сборку стягивают
винтом с гайкой и шайбой.
После высыхания лака выводы катушки аккуратно зачищают, облу-
живают и припаивают к соответствующим контактам платы. Затем
326
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
монтируют остальные детали. Датчик тока катушки L2 помещают в маг-
нитопровод из двух чашек 414 из феррита той же марки, что и катушка
L1, и такой же диэлектрической прокладкой. Для обмотки используют
провод ПЭЛ-0,5 длиной 700 мм, пропитывать лаком ее необязательно.
Эту катушку можно изготовить и иначе, намотав провод указанного
диаметра и длины на стандартный дроссель ДПМ-0,6, однако эффек-
тивность подавления импульсов на частоте преобразования в этом слу-
чае несколько снизится. Вид платы приведен на рис. 8.22.
Монтаж конструкции. В случае, если импульсный стабилизатор
напряжения будет использоваться при максимальном токе нагрузки,
транзистор VT3 необходимо установить на теплоотводе в виде алюми-
ниевой пластины площадью не менее 100 см и толщиной 1,5—2 мм. На
этом же теплоотводе через изолирующую прокладку (например, слюдя-
ную) закрепляют и коммутирующий диод VD1. При токах нагрузки менее
1А теплоотвод для транзистора VT3 и диода VD1 не потребуется, однако
в этом случае ток срабатывания защиты необходимо уменьшить до 1,2 А,
заменив катушку L2 резистором С5-16 сопротивлением 0,33 Ом и мощ-
ностью 1 Вт. Подробное описание схемы приводится в [86].
1VT4/
R7 R9O
9FU1
RST 4 1
П VT2 о о о о ^^
V 4оК оооо 6 R11
8
|оэ(
L1
СЗ
ивых
Рис. 8.22. Вид печатной платы
ГЛАВА 9
СХЕМОТЕХНИКА ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
ИСТОЧНИКОВ СВАРОЧНОГО ТОКА
9.1. Принцип действия трансформаторных
источников сварочного тока
Источник сварочного тока преобразует высокое сетевое напряжение
в существенно более низкое сварочное напряжение и обеспечивает тре-
буемые для сварки высокие значения силы тока, которые отсутствуют в
сети. Кроме того, он способен поддерживать и регулировать необходи-
мые значения тока. Для сварки может использоваться как переменный,
так и полученный из него постоянный ток. Сварочные источники отли-
чаются большим разнообразием и различаются родом тока, конструк-
цией и внутренней структурой, внешними вольтамперными характе-
ристиками.
По роду тока различаются сварочные источники переменного тока,
постоянного тока и импульсного тока.
Конструктивно сварочный источники можно разделить на группы:
♦ электромашинные преобразователи и сварочные агрегаты;
♦ трансформаторные источники;
♦ выпрямители;
♦ электронные регуляторы (чопперы);
♦ инверторные источники (будут рассмотрены в следующей главе).
Электромашинный преобразователь и сварочный агрегат содер-
жат в своем составе сварочный генератор, который преобразует меха-
ническую энергию вращения в сварочный ток. В качестве источника
механической энергии вращения в преобразователях используется
электрический двигатель переменного или постоянного тока. В свароч-
ных агрегатах для этой же цели обычно используется двигатель вну-
треннего сгорания.
Основой трансформаторного источника является специальный
сварочный трансформатор, который понижает напряжение сети, фор-
мирует внешнюю вольтамперную характеристику и осуществляет галь-
ваническую развязку сварочных цепей от сети. Источники этого типа
формируют переменный сварочный ток.
328
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Для получения постоянного сварочного тока к трансформаторному
источнику подключается выпрямитель, который может быть управля-
емым и не управляемым. Зачастую функции регулировки сварочного
тока и формирования вольтамперной характеристики возлагаются на
управляемый выпрямитель.
В этом случае трансформатор обеспечивает функцию понижения
напряжения сети и гальваническую развязку сварочной цепи. Иногда
разделение функций в сварочных источниках достигает еще большей
степени.
в
Примечание.
Наиболее перспективным является новый тип сварочных источ-
ников - инверторные. Инверторные источники структурно
очень похожи на трансформаторные источники с выпрямителем.
Однако трансформаторы этих источников работают на повы-
шенной частоте, которая получается при помощи специальных
преобразователей - инверторов. Они будут рассмотрены в сле-
дующей главе.
Основным элементом классического сварочного источника пере-
менного тока является специализированный сварочный трансфор-
матор. Познакомимся с конструктивными особенностями этих транс-
форматоров.
По характеру устройства магнитного сердечника различают транс-
форматоры броневого (рис. 9.1, а) и стержневого (рис. 9.1, б) типов. Для
уменьшения потерь на вихревые токи, сердечник трансформатора наби-
рается из листовой трансформаторной стали толщиной 0,27—0,5 мм.
Трансформаторы стержневого типа, по сравнению с трансформа-
торами броневого типа, имеют более высокий КПД и допускают боль-
шие плотности токов в обмотках. Поэтому сварочные трансформаторы
обычно, за редким исключением, бывают стержневого типа.
По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с
цилиндрическими (рис. 9.2, а), разнесенными (рис. 9.2, б) и диско-
выми (рис. 9.2, в) обмотками.
Рис. 9.1. Типы магнитных сердечников:
а - броневого типа; б - стержневого типа
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока
329
Рис. 9.2. Типы обмоток трансформаторов:
а - цилиндрические; 6 - разнесенные; в - дисковые
Для рассмотрения особенностей трансформатора, того или иного
типа, удобно использовать схему замещения трансформатора [29,68],
представленную на рис. 9.3.
Примечание.
В данном случае все параметры трансформатора приведены к его
первичной обмотке. Поэтому в схеме замещения отсутствует
идеальный трансформатор, необходимый для имитации коэффи-
циента трансформации.
Индуктивность рассеяния Ls обмотки вызывается наличием у нее
собственного магнитного потока d>s не сцепляемого с другой обмоткой.
Чем дальше удалены друг от друга обмотки трансформатора, тем, соот-
ветственно, больше величины Os и Ls.
В трансформаторах с цилиндрическими обмотками одна
обмотка намотана поверх другой. Так как обмотки находятся на мини-
мальном расстоянии друг от друга, то практически весь магнитный
поток первичной обмоткой сцепляется с витками вторичной обмотки.
Только очень небольшая часть магнитного потока первичной обмотки,
называемого потоком рассеяния, протекает в зазоре между обмот-
ками и поэтому не связана с вторичной обмоткой.
Так как ток ограничивается практически только омическим сопро-
тивлением rl и г2 обмоток, то трансформатор имеет жесткую характе-
ристику, и ток короткого замыкания на вторичной обмотке более чем
r1 Us
Рис. 9.3. Схема замещения трансформатора:
Ul, U2 - напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора; rl, г2 - омическое
сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора; Lls, L2s - индуктивность
рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора; Lp - индуктивность
намагничивания трансформатора; гс - сопротивление, характеризующее потери в сердечнике
трансформатора; п - коэффициент трансформации трансформатора.
330 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
в 10 раз превосходит рабочий ток трансформатора. При использова-
нии такого трансформатора, для получения крутопадающей внешней
характеристики, дополнительно приходится использовать дроссель
переменного тока.
В ранних сварочных источниках такой дроссель присутствовал
как независимый конструктивный элемент, дополнительно увеличива-
ющий массу и габариты сварочного источника. Позже в качестве дрос-
селя стали использовать индуктивность рассеяния трансформатора. Для
получения требуемой величины индуктивности рассеяния, обмотки
трансформатора стали разносить на разные стержни (рис. 9.2, б) или
выполнять в виде дисков (рис. 9.2, в).
В трансформаторах с разнесенными обмотками первичная и
вторичная обмотки находятся на различных стержнях трансформатора.
Так как обмотки удалены друг от друга, то значительная часть магнит-
ного потока первичной обмотки не связана с вторичной обмоткой.
4*
Примечание.
Еще говорят, что эти трансформаторы имеют развитое элек-
тромагнитное рассеяние.
Индуктивности рассеяния Lls и L2s имеют значительную величину,
а их реактивное сопротивление сильно влияет на ток трансформа-
тора, чем в случае трансформатора с цилиндрическими обмотками.
Трансформатор с разнесенными обмотками имеет падающую внеш-
нюю характеристику, где рабочий ток составляет примерно 80% от тока
короткого замыкания.
В трансформаторах с дисковыми обмотками, первичная и вторичная
обмотки также удалены друг от друга, но на меньшее расстояние, по срав-
нению с трансформаторами, имеющими разнесенные обмотки. Поэтому,
по величине индуктивности рассеяния, трансформаторы с дисковыми
обмотками занимают промежуточное положение. Эти трансформаторы
также имеют падающую внешнюю характеристику, но их рабочий ток
составляет примерно 50% от тока короткого замыкания, т. е. рабочий ток
примерно в два раза меньше тока короткого замыкания.
Для ступенчатой регулировки сварочного тока обмотки транс-
форматора можно делать с отводами, и затем эти отводы переключать.
Для плавной регулировки сварочного тока можно использовать
регулируемый магнитный шунт, располагаемый в зазоре между обмот-
ками, или, в случае трансформатора с дисковыми обмотками, измене-
ние расстояния между обмотками, которые в этом случае выполняются
подвижными.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока 331
Примечание.
Основная масса сварочных источников переменного тока выпол-
нена на основе трансформаторов с дисковыми подвижными
обмотками. Поэтому подобные источники также считаться
классическими.
Описание приводится по [29,68].
9.2. Лучшие конструкции трансформаторных
источникбв сварочного тока
Сварочный трансформатор со ступенчатой регулировкой тока
Назначение. Источник можно использовать для сварки и резки
электродами диаметром 3—5 мм.
Особенности. Обычно в распоряжении самоделыцика есть транс-
форматорная сталь, уже побывавшая в употреблении. Это может горя-
чекатаная или холоднокатаная сталь от старого сварочного трансфор-
матора или силового трансформатора подстанции.
D
Примечание.
Холоднокатаная сталь обладает лучшими магнитными характе-
ристиками, по сравнению с горячекатаной. Это позволяет изго-
тавливать из нее наиболее компактные трансформаторы.
Характеристики. Формирует два фиксированных значения свароч-
ного тока — 150 А и 120 А.
Выбор трансформаторной стали. Перед тем как приступить к
изготовлению трансформатора, необходимо определиться с типом про-
ката трансформаторной стали, имеющейся в распоряжении. Тип про-
ката легко определяется по цвету стали. Холоднокатаная сталь имеет
белый цвет. В отличие от холоднокатаной, горячекатаная сталь имеет
темный, почти черный, цвет. Кроме этого горячекатаная сталь очень
ломкая и имеет хорошо видимое лаковое покрытие.
Может так случится, что под рукой не окажется специализирован-
ной трансформаторной стали. В этом случае трансформатор можно
изготовить из почти любого листового железа. Соответствующие реко-
мендации можно найти в старой любительской литературе. Согласно
этим рекомендациям, сердечник трансформатора можно изготовить
из обыкновенного мягкого железа, а, вернее, из жести толщиной 0,3—
0,5 мм. Для снижения потерь перемагничивания железо необходимо
предварительно отжечь.
332
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 9.4. Размеры, расположение и схема соединения обмоток
сварочного трансформатора
Железо отжигают в муфельной печи или на углях при температуре
красного каления и дают возможность медленно остыть. Затем железо
очищают от окалины, ровняют и покрывают слоем лака.
Лаковое покрытие необходимо для осуществления электрической
изоляции отдельных листов сердечника. Для этих же целей, между
листами стали можно прокладывать тонкие листы бумаги (конденса-
торной бумаги или кальки). Для хорошего перекрытия стальных листов,
размеры листов бумажных должны быть больше на 2—3 мм.
На рис. 9.4 показаны размеры и схема соединения обмоток транс-
форматора.
Обмоточные данные и намотка трансформатора. Характеристики
трансформатора зависят от материала сердечника. Эти данные приве-
дены в табл. 9.1.
Обмоточные данные сварочного трансформатора
Обмотка
1а,1а'
Ib, Ib'
1с, 1с*
Па, На'
lib, lib'
Материал
провода
Си
Си
Си
А1
А1
Сечение
провода
(а*Ь),мм
-
-
-
30 (6x5)
25 (5x5)
Диаметр
провода,
мм
1,81
1,81
1.81
-
-
Количество витков обмотки для се
горячекатаной
стали
271
30
30
45
15
холоднокатаной
стали
278
31
31
47
16
Таблица 9.1
рдечника из
кровельной
стали
258
29
29
43
15
в
Примечание.
В независимости от материала сердечника, обмотки трансфор-
матора мотаются на двух каркасах, выполненных из листового
стеклотекстолита толщиной 2 мм.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока 333
На каркасе первичная и вторичная обмотки изолированы друг от
друга стеклотекстолитовой щечкой толщиной 2 мм. Перед намоткой
каркас следует усилить, насадив на деревянную оправку. Отверстие,
предназначенное для насадки на сердечник, должно быть больше раз-
меров сердечника на 1,5—2 мм, что позволит впоследствии без проблем
собрать трансформатор.
Первичная обмотка W1 состоит из двух секций (I и Г), расположен-
ных на различных катушках и соединенных параллельно. Намотка
таких обмоток имеет одну особенность, согласно которой аналогич-
ные слои разных секций мотаются в противоположных направлениях.
Например, если начало левой секции расположено с левой стороны
катушки и провод укладывается слева на право, то для правой секции
все делается наоборот (рис. 9.5).
правая катушка
А А А
А 1с 0 Ib A la 0 0 Па 0 lib 0
Рис. 9.5. Схема намотки катушек трансформатора
Первичная обмотка трансформатора рассчитана на нормальное
напряжение сети 220 В. Для тог0» чтобы трансформатор можно было
использовать в условиях слабой или просаженной сети, первичная
обмотка имеет дополнительные отводы. Эти отводы рассчитаны на
напряжение сети 180 В и 200 В.
Для намотки трансформатора можно использовать самодельный
намоточный станок. После намотки каждого слоя провода, его следует
уплотнить легкими ударами деревянного молотка. Если трансформа-
тор изготавливается в кустарных условиях, то каждый слой необходимо
промазывать пропиточным лаком. В качестве межслойной изоляции
используется картон толщиной 0,5 мм.
Для вторичной обмотки W2 используется голая алюминиевая шина
сечением 30 мм (5х6 мм) и 25 мм (5х5 мм). Подобная шина использу-
ется в обмотках грузоподъемных электромагнитов. При отсутствии
указанной шины можно использовать любую другую шину или даже
круглый алюминиевый провод подходящего сечения.
Если имеющийся обмоточный материал состоит из нескольких кусков,
то эти куски необходимо сварить или аккуратно склепать. Пластиковая
или поврежденная изоляция снимается в обязательном порядке. Затем
334 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
очищенный провод или шина плотно обматываются киперной лентой
или тонкой хлопчатобумажной тканью, предварительно порезанной на
полосы шириной 20 мм. После изолировки поперечные размеры провода
или шины должны увеличиться примерно на 0,5 мм.
Также как и первичная, вторичная обмотка поровну распределена
на обеих катушках. Однако, в отличие от первичной, секции вторичной
обмотки включаются последовательно. Обе секции вторичной обмотки
мотаются аналогично (рис. 9.5).
Шина укладывается на более широкую сторону. После намотки каж-
дого слоя, его следует уплотнить легкими ударами деревянного молотка
и обильно промазать пропиточным лаком.
в
Примечание.
Особо внимательные читатели наверно заметили, что меньшему
сварочному току соответствует большее количество витков
вторичной обмотки (рис. 9.4). Однако это не опечатка.
Дело в том, что напряжение обйотки пропорционально количеству
витков, а реактивное сопротивление пропорционально квадрату этой
же величины. Поэтому сопротивление обмотки растет быстрее, чем ее
напряжение.
После намотки и пропитки трансформатор следует просушить.
Температура и время сушки определяются маркой используемого про-
питочного лака.
Сердечник трансформатора. Конструкция сердечника трансфор-
матора изображена на рис. 9.6. Сердечник набран из пластин стали тол-
щиной 0,27—0,5 мм. Имеющееся железо сначала рубят на полосы, потом
режут на фрагменты, длина которых указана на рис. 9.6. Заусенцы на
краях рубленого железа необходимо удалить с помощью надфиля или
мелкого напильника. Сердечник собирается в «перекрышку» с воз-
можно меньшими зазорами в местах стыковки отдельных листов.
Готовый, намотанный и собранный трансформатор необходимо
поместить в защитный кожух, который необходимо изготовить из
немагнитного материала, например, алюминия или текстолита. В
кожухе необходимо предусмотреть вентиляционные отверстия.
Внимание.
Для подключения первичной обмотки трансформатора к сети
-220 В необходимо использовать кабель с медной жилой сечением
не менее 6 мм и силовую розетку на ток 63 А, имеющую заземля-
ющий нож, который необходимо соединить с сердечником транс-
форматора и с защитным кожухом. Соответственно, заземляю-
щий контакт розетки должен быть надежно заземлен.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока
335
CL
Четный слой
Нечетный слой
а
150
Четный слой
Нечетный слой
б
210
Г 1
110
170
270
Четный слой
Нечетный слой
в
220
Рис. 9,6, Конструкция сердечника трансформатора:
а-из горячекатаной стали; б -из холоднокатаной стали; в-из кровельной стали
336 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Концы вторичной обмотки необходимо подключить к латунным
шпилькам диаметром 8—10 мм, установленным на диэлектрической
термостойкой панели, которая крепится к защитному кожуху транс-
форматора. В качестве сварочных можно использовать мягкие медные
провода сечением 16—25 мм.
Описание схемы приводится по [29,68].
Сварочный источник с резонансным конденсатором
Назначение. Источник можно использовать для сварки и резки
электродами диаметром 3—5 мм.
Особенности. Для повышения коэффициента мощности источ-
ника используется резонанс напряжений. Для этого, последовательно
с вторичной обмоткой трансформатора, можно включить специальный
резонансный конденсатор.
При этом индуктивность рассеяни^трансформатора и конденсатор
образуют последовательный колебательный контур, и если этот кон-
тур настроен на частоту 50 Гц, то сварочный источник не будет генери-
ровать реактивную мощность. В этом случае циркуляция реактивной
мощности будет происходить только внутри колебательного контура.
Сварочный источник с резонансным конденсатором имеет высокий
КПД и коэффициент мощности, близкий к единице.
Примечание.
По сравнению с ранее рассмотренными сварочными источниками
переменного тока, этот источник потребляет наименьший ток
от питающей сети.
Например, по сравнению с классическими сварочными источниками
он потребляет в два раза меньший тока, а по сравнению со сварочным
источником Буденного в полтора раза меньший ток. Немаловажным
является то, что форма потребляемого тока близка к синусоиде. В этом
отношении он на много превосходит существующие на данный момент
инверторные сварочные источники, практически не уступая им по мас-
согабаритным параметрам.
. Характеристики. Формирует четыре фиксированные величины
сварочного тока — 120,105,90 и 75 А.
Конструкция. Размеры и расположение обмоток сварочного транс-
форматора изображены на рис. 9.7.
Первичная и вторичная обмотки расположены на разных стержнях
трансформатора. При этом часть вторичной обмотки мотается поверх
первичной обмотки. Обмотки мотаются на каркасы, выполненные из
листового стеклотекстолита толщиной 2 мм.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока
337
29
W1
430 вит.
W21
С1.С2
бхЗЗООмк
100 В
типа К50-84
Сердечник
ПЛ 32x70x100
v W1 проводе! 1,67
W2 шина 7x2,25
Рис 9.7. Размеры, расположение и схема соединения обмоток трансформатора
Совет.
Перед намоткой каждой обмотки, ее каркас следует усилить,
насадив на деревянную оправку. Отверстие каркаса, предназна-
ченное для насадки на сердечник, должно быть больше размеров
сердечника на 1,5-2 мм, что позволит впоследствии без проблем
собрать трансформатор.
Намотка трансформатора. Первичная обмотка W1 содержит 430
витков изолированного медного обмоточного провода 01,67 мм в эма-
левой или стекловолоконной изоляции. После намотки слоя провода его
следует уплотнить легкими ударами деревянного молотка. Если транс-
форматор изготавливается в кустарных условиях, то после намотки
каждого слоя его необходимо промазывать пропиточным лаком. В
качестве межслойной изоляции используется картон толщиной 0,5 мм.
Вторичная обмотка мотается медной шиной 15 мм (7x2,25 мм).
Шина укладывается на более широкую сторону. После намотки каждого
слоя, его следует уплотнить легкими ударами деревянного молотка и
обильно промазать пропиточным лаком.
Для намотки можно использовать медную шину такого же сечения, но с
другим соотношением сторон. Основная часть вторичной обмотки, содер-
жащая 60 витков, мотается на независимом каркасе. Остаток вторичной
обмотки, содержащий 15 витков, мотается поверх первичной обмотки.
Обе части вторичной обмотки имеют отводы, которые служат для
регулировки сварочного тока (рис. 9.7). После намотки и пропитки
трансформатор следует просушить. Температура и время сушки опре-
деляются маркой используемого пропиточного лака.
Элементная база. Резонансный конденсатор источника свароч-
ного тока имеет емкость 100QQ мкФ и состоит из двух блоков полярных
конденсаторов Cl, C2 (рис. 9.7), включенных встречно. Для защиты от
напряжения обратной полярности каждый блок конденсаторов зашун-
338 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
тирован цепочками R1VD1 и R2VD2, состоящими из последовательно
включенных резистора и конденсатора.
В качестве Cl, C2 можно использовать конденсаторы типа К50-84
3300 мкФ на 100 В, производства отечественной компании Элеконд
(http://www.elecond.ru) или конденсаторы, рассчитанные на большие
импульсные токи, выпускаемые другими производителями. Например,
подойдут конденсаторы типа В41456, В41458 3300 мкФ на 100 В, произ-
водства компании Epcos (http://www.epcos.com).
Готовый, намотанный и собранный трансформатор необходимо
поместить в защитный кожух, который рекомендуется изготовить
из немагнитного материала, например, алюминия или текстолита. В
кожухе следует предусмотреть вентиляционные отверстия.
Внимание.
Для подключения первичной обмотки трансформатора к сети
-220 В, нужно использовапу? кабель с медной Жилой сечением не
менее 4 мм и силовую розетку на ток 25 А, имеющую заземляю-
щий нож, который необходимо соединить с сердечником транс-
форматора и с защитным кожухом. Соответственно, заземляю-
щий контакт розетки должен быть надежно заземлен.
Концы вторичной обмотки необходимо подключить к латунным
шпилькам диаметром 8—10 мм, установленным на диэлектрической
термостойкой панели, которая крепится к защитному кожуху транс-
форматора. В качестве сварочных можно использовать мягкие медные
провода сечением 16—25 мм.
Описание схемы приводится по [29,68].
Сварочный источник переменного тока
с плавной регулировкой
Назначение. Источник можно использовать для сварки и резки
электродами диаметром 3—5 мм.
Особенности. Практически все рассмотренные ранее свароч-
ные источники имели ступенчатую регулировку сварочного тока.
Исключение составляет лишь сварочный источник Буденного, где регу-
лировка сварочного тока осуществляется при помощи подвижного маг-
нитного шунта.
Ступенчатая регулировка тока ограничивает возможность выбора
оптимальной величины сварочного тока, а наличие отводов усложняет
конструкцию сварочного трансформатора. Подвижный шунт позволяет
плавно регулировать ток, но также усложняет конструкцию трансфор-
матора и является источником шума.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока
339
VT1 MR4 VT2
BC337U10K ВС337
R13nR14nR15DR16nR17
200 U 200 U 200 □ 200 П 200
Рис. 9.8. Схема сварочного источника с плавной регулировкой сварочного тока
Характеристики. При использовании рекомендуемого сварочного
трансформатора сварочный ток регулируется в диапазоне от 50 до 150 А.
Схема. Принципиальная электрическая схема источника приведена
на рис. 9.8.
Регулирующим элементом источника сварочного тока является
симистор VS1, включенный последовательно с первичной обмоткой
трансформатора Т2. Тиристоры и симисторы являются не полностью
управляемыми электронными ключами. Они могут находиться только
в двух состояниях, закрытом или открытом. Тиристор, подобно диоду,
пропускает ток только в одном направлении. Для управления перемен-
ным током используют два встречно включенных тиристора или один
симистор (симметричный тиристор) или триак (от англ. Triac — triode
for alternating current), что означает электронный прибор, предназна-
ченный для управления переменным током. Внутренняя структура
симистора также содержит два, встречно включенных тиристора, но
управляются эти тиристоры при помощи одного внешнего управляю-
щего электрода.
340 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Однажды открытый симистор не реагирует на сигнал управления
и сохраняет свое открытое состояние до тех пор, пока через него про-
текает ток, больший по величине, чем ток удержания. По этой при-
чине эти электронные приборы называются не полностью управля-
емыми.
В цепях периодического переменного тока, каждые полпериода ток
меняет свое направление, снижаясь до нуля. Цри этом каждый раз дости-
гается автоматическое запирание (гашение) симистора. Задерживая или
сдвигая момент включения симистора относительно начала полупериода
можно осуществлять регулировку переменного тока.
Меняя длительность задержки от нуля до полупериода (фазовый
сдвиг от 0° до 180°), можно осуществлять полную регулировку перемен-
ного тока. Недостатком такой регулировки тока является то, что ток
прерывается во время закрытого состояния симистора. По этой при-
чине трансформатор с симисторным или тиристорным ключом в пер-
вичной обмотке получил название трансформатора прерывистого
тока или тиристорного трансформатора.
Долгое время считалось, что подобный способ регулировки тока не
пригоден для электродуговой сварки. Дело в том, что во время прерыва-
ния тока дуга гаснет и происходит деионизация дугового промежутка,
что затрудняет последующее возбуждение дуги. Выход был найден в том,
чтобы каждый раз, в момент открытия симистора, принудительно воз-
буждать дугу при помощи специального импульсного стабилизатора.
В предлагаемом сварочном источнике импульсный стабилизатор
состоит из последовательной цепочки, состоящей из конденсатора С5 и
дополнительной обмотки III, намотанной поверх вторичной обмотки II
сварочного трансформатора Т2. Обмотки II и III имеют равное количе-
ство витков. Стабилизирующая цепочка подключена параллельно пер-
вичной обмотке трансформатора Т2.
Благодаря этому, в момент открытия симистора VS1, к вторичной
обмотке трансформатора Т2 и к сварочной хцепи прикладывается корот-
кий высоковольтный стабилизирующий импульс, при помощи которого
осуществляется принудительное зажигание дуги. Длительность ста-
билизирующего импульса определяется емкостью конденсатора С5 и
составляет примерно 100 мкс.
Цепи управления источника (рис. 9.8) питаются от маломощного
трансформатора Т1 220/18 В. Переменное напряжение 18 В с обмотки
II трансформатора поступает на выпрямитель VD1, где выпрямляется
и сглаживается при помощи конденсатора С1. Нестабилизированное
напряжение на конденсаторе С1 используется для непосредственного
управления симистором VS1. Для надежного отпирания симистора, через
его управляющий электрод необходимо пропускать ток величиной более
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока 341
200 мА. В данном случае ток управления коммутируется транзистором
VT5 и ограничивается резисторами R13—R17 на уровне 350—450 мА.
Схема управления питается стабилизированным напряжением 12 В,
получаемым из нестабилизированного напряжения на конденсаторе
С1, при помощи стабилизатора DA1.
На конденсаторе СЗ формируется пилообразное напряжение. При
этом конденсатор СЗ линейно заряжается стабильным током от источ-
ника тока, собранного на элементах VT4, VD2, R6, R7, а затем, в момент
перехода сетевого напряжения через ноль, разряжается при помощи
узла синхронизации построенного на элементах VT1, VT2, Rl—R5.
Для формирования синхронизирующих импульсов переменное напря-
жение с обмотки II трансформатора Т1 (через резисторы R1 и R2) поступает
на базу транзистора VT1. Когда напряжение сети не равно нулю, транзистор
VT1 открыт, а транзистор VT2 закрыт и не шунтирует конденсатор СЗ.
В момент перехода сетевого напряжения через ноль транзистор VT1
закрывается, a VT2 открывается и быстро разряжает конденсатор СЗ. В
результате этого на конденсаторе СЗ формируется напряжение пропор-
циональное фазовому сдвигу относительно начала полупериода.
С помощью переменного резистора R9 «Ток» можно устанавливать
порог, а, следовательно, и фазовый сдвиг срабатывания компаратора
DA2. Пока напряжение на конденсаторе СЗ ниже порогового, на выходе
компаратора присутствует низкий уровень напряжения, который удер-
живает транзистор VT5 и симистор VS1 в закрытом состоянии. Как только
напряжение на конденсаторе СЗ превысит пороговый уровень, компара-
тор сработает и откроет транзистор VT5, который откроет симистор VS1.
Регулировка сварочного тока осуществляется при помощи пере-
менного резистора R9 «Ток». В нижнем положении движка резистора
R9 фазовый сдвиг минимален, поэтому сварочный ток максимален. В
верхнем положении движка резистора R9 фазовый сдвиг максимален,
поэтому сварочный ток минимальный.
Конкретный диапазон регулировки сварочного тока зависит от сва-
рочного трансформатора Т2.
Примечание.
Типы и номиналы элементов схемы источника сварочного тока
указаны на принципиальной схеме. При повторении устройства
можно использовать рекомендуемые комплектующие или другие
комплектующие, имеющие такие же или не худшие параметры.
Элементная база и аналоги. В качестве трансформатора Т1 можно
использовать любой трансформатор 220/18 В мощностью 10—15 Вт.
В качестве сварочного трансформатора Т2 можно использовать
любой трансформатор, описанный ранее (сварочные трансформаторы
342 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
со ступенчатой регулировкой тока»). При этом обмЬтки трансформа-
тора мотаются без отводов, а стабилизирующая обмотка III мотается
поверх обмотки II.
Например, мы решили использовать трансформатор с сердечником
из холоднокатаной стали. В этом случае конструкция сердечника изо-
бражена на рис. 9.6, б. Обмотка I трансформатора содержит 340 витков
провода диаметром 1,81 мм. Обмотка II трансформатора содержит 94
витка алюминиевой шины сечением 30 мм. Обмотка III трансформа-
тора содержит 94 витка провода диаметром 1—2 мм и мотается в один
слой поверх обмотки И.
Направление намотки катушек трансформатора указано на рис. 9.5.
Схема включения обмоток аналогична схеме, изображенной на
рис. 9.4. Обмотка I расположена на двух катушках, которые включены
параллельно. Обмотка II также расположена на дьух катушках, но эти
катушки включены последовательно. Обмотка III аналогична обмотке
II, но мотается поверх ее.
Описание схемы приводится по [29,68].
Сварочный источник постоянного тока
с электронной регулировкой
Назначение. Этот источник предназначен для сварки электродами
03—4 мм.
Особенности. Все рассмотренные ранее сварочные источники,
являются источниками переменного тока. Эти источники, по сравне-
нию с источниками постоянного тока, имеют меньшие размеры, про-
сты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Однако использование
постоянного тока позволяет улучшить устойчивость горения дуги и
использовать специальные электроды, позволяющие получить лучшее
качество сварочного шва.
В данном разделе рассмотрим конструкцию простого сварочного
источника постоянного тока с электронной регулировкой.
Характеристики. Максимальный сварочный ток— 150 А.
Сварочный ток плавно регулируется в диапазоне 50—150 А.
Схема. Принципиальная электрическая схема источника сварочного
тока приведена на рис. 9.9.
Примечание.
Главное отличие этого источника от рассмотренных ранее моделей
заключается в том, что его внешняя нагрузочная характеристика
формируется не за счет применения специального трансформатора,
а за счет электронной регулировки с использованием обратной связи
по току.
D
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока
343
VS1 Т161-160
-р- 470мк 2 £ VD2 =7= 470мк 5 7
х25В ТКС512 х25В
R17 150 А 75мВ
Рмс. 9.9. Схемо сварочного источника постоянного тока
с электронной регулировкой
0 +
ХТ2
Регулировка сварочного тока производится при помощи двух тири-
сторов VS1 и VS2, включенных по схеме двухполупериодного выпря-
мителя со средней точкой. Задерживая или сдвигая момент включения
тиристоров относительно начала полупериода, можно осуществлять
регулировку тока. Меняя длительность задержки от нуля до полупери-
ода (фазовый сдвиг от 0° до 180°), можно осуществлять полную регули-
ровку сварочного тока.
Недостатком такой регулировки тока является то, что в паузе (во
время закрытого состояния тиристора) ток прерывается и дуга гаснет.
344 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
в
Примечание.
Для того чтобы сварочная дуга не гасла, необходимо во время паузы
пропускать через нее стабилизирующий ток величиной не менее 10 А.
Способы стабилизации тока. Существует несколько способов
получения стабилизирующего тока. В рассматриваемом источнике
стабилизация тока осуществляется за счет использования дросселя L1 и
диода VD12. Дроссель накапливает энергию во время открытого состо-
яния тиристоров и отдает ее в паузе. При этом стабилизирующий ток
замыкается через диод VD12.
Так как через дроссель протекает весь сварочный ток, то габариты
его получаются значительными и соизмеримы с габаритами свароч-
ного трансформатора Т1. Однако габариты дросселя можно уменьшить,
если сделать его нелинейным, насыщающимся. Т. е. когда ток в дросселе
ниже тока насыщения, дроссель имеет значительную индуктивность,
достаточную для поддержания тока в паузах, а когда ток становится
больше тока насыщения, индуктивность дросселя резко снижается, т. к.
его сердечник входит в насыщение. Применение подобного дросселя
делает сварочный ток импульсно модулированным.
Модуляция возникает при насыщении дросселя и может даже ока-
заться полезной, стимулируя капельный перенос металла с электрода
в сварочную ванну.
Работа источника сварочного тока. Питание электронного блока
управления источника сварочного тока осуществляется от обмоток Па и
116 сварочного трансформатора Т1. С помощью выпрямителя VD1 фор-
мируется двухполярное выпрямленное напряжение. Стабилизированное
напряжение +12 В получается при помощи параметрического стабилиза-
тора Rl, VE>2, C1. Стабилизированное напряжение -12 В получается при
помощи параметрического стабилизатора R2, VD4, С2.
Для синхронизации схемы управления с сетью используется пульса-
ция отрицательного выпрямленного напряжения. Это напряжение, через
резистор R3, поступает на базу транзист<?ра VT5 и закрывает его. Пока
транзистор VT5 закрыт, конденсатор С4 заряжается через резистор R8.
В момент смены полярности сетевого напряжения уровень отрица-
тельно выпрямленного напряжения также снижается, и транзистор VT5
открывается за счет положительного тока смещения, поступающего в его
базу через резистор R10. Транзистор VT5 открывается и разряжает кон-
денсатор С4. В результате этого на конденсаторе С4 формируется пилоо-
бразное напряжение, синхронизированное с сетевым напряжением.
Диод VD3 служит для развязки цепи синхронизации и цепи питания.
Светодиод HL1 «Сеть» служит для индикации включенного состояния
источника сварочного тока и защищает переход б-э транзистора VT5 от
пробоя отрицательным выпрямленным напряжением.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока 345
Для стабилизации сварочного тока используется регулятор на основе
суммирующего интегратора, собранного на операционном усилителе
DA1 и элементах С5, Rll, R15, R16, VD9-VD11.
При помощи потенциометра R13 «Ток» устанавливается необхо-
димая величина сварочного тока. Напряжение задания, снимаемое с
движка этого потенциометра, при помощи делителя напряжения R11,
R16 сравнивается (суммируется) с напряжением токовой обратной
связи, снимаемым с шунта R17. Так как напряжение задания и напря-
жение токовой обратной связи имеют различную полярность, то они
взаимно компенсируются на инвертирующем входе операционного
усилителя DA1, если их величины пропорциональны величинам рези-
сторов делителя напряжения Rl I, R16.
В противном случае компенсация делителя достигается за счет
дополнительного тока поступающего в среднюю точку делителя R11,
R16 с выхода операционного усилителя DA1, через интегрирующий
конденсатор С5.
в
Примечание.
При этом напряжение на выходе DA1 возрастает, если сварочный
ток больше заданного, и уменьшается, если сварочный ток меньше
заданного.
Диод VD9 не позволяет выходному напряжению операционного
усилителя DA1 и регулятора становиться отрицательным. Диоды VD10,
VD11 защищают входы DA1 при обрыве шунта. Резистор R15 симметри-
рует прямой вход операционного усилителя DA1.
Выходное напряжение регулятора через цепочку VD8, R9 поступает на
эмиттер транзистора VT4. Транзистор VT4 является компаратором, срав-
нивающим выходное напряжение регулятора с пилообразным напряже-
нием на конденсаторе С4. Как только пилообразное напряжение станет
больше, транзистор VT4 открывается и открывает транзистор VT2. Он, в
свою очередь, подает напряжение питания на релаксационный генера-
тор, собранный на однопереходном транзисторе VT3 и элементах RS, R6,
СЗ. Генератор формирует короткие отрицательный импульсы, поступа-
ющие на базу транзистора VT1 с частотой 5—6 кГц. При этом задержка
момента запуска генератора относительно начала полупериода сетевого
напряжения возрастает, если сварочный ток больше заданного, и умень-
шается, если сварочный ток меньше заданного.
Транзистор VT1 открывается выходными импульсами релаксационного
генератора и формирует мощный управляющие импульсы тока, которые
через резистор R4 и диоды VD5, VD6 поступают на управляющие элек-
троды тиристоров VS1 и VS2, и открывают один из них. Диод VD7 защи-
щает переход б-э транзистора VT1 от напряжения обратной полярности.
346 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Элементная база и аналоги. Электронные компоненты источника
сварочного тока могут быть заменены аналогичными, имеющими такие
же или лучшие параметры.
Моточные элементы. Дроссель L1 мотается на ленточном сердеч-
нике ШЛ32><64. Обмотка содержит 60 витков медной шины 18,75 мм.
При сборке сердечника в его стыки необходимо положить не магнитные
прокладки толщиной 4 мм.
Обмотки трансформатора Т1 мотаются на двух каркасах, выполнен-
ных из листового стеклотекстолита толщиной 2 мм. Перед намоткой
каркас следует усилить, насадив на деревянную оправку. Отверстие,
предназначенное для насадки на сердечник, должно быть больше раз-
меров сердечника на 1,5—2 мм, что позволит впоследствии без проблем
собрать трансформатор.
Обмотка I содержит 240 витков медного провода 01,88 мм. Эта
обмотка мотается первой и состоит из двух секций (I и Г), расположен-
ных на различных катушках и соединенных араллельно.
о
Примечание.
Намотка таких обмоток имеет одну особенность, согласно кото-
рой аналогичные слои разных секций мотаются в противополож-
ных направлениях.
Например, если начало левой секции расположено с левой стороны
катушки и провод укладывается слева на право, то для правой секции
все делается наоборот (рис. 9.10).
Для намотки трансформатора можно использовать самодельный
намоточный станок.
После намотки каждого слоя провода его следует уплотнить легкими
ударами деревянного молотка. Если трансформатор изготавливается в
кустарных условиях, то каждый слой необходимо промазывать пропи-
точным лаком. В качестве межслойной изоляции используется картон
толщиной 0,5 мм.
Обмотка II мотается поверх обмотки I и содержит 60+60 витков алю-
миниевая шина сечением 25 мм2 (5*5 мм). Подобная шина используется
в обмотках грузоподъемных электромагнитов. Обе половинки обмотки
(Па и Нб) мотаются одновременно в два провода. При этом на каждую
катушку мотается по 30 витков. Схема соединения фрагментов обмотки
изображена на рис. 9.10.
■
Совет.
При отсутствии указанной шины можно использовать любую другую
шину или даже круглый алюминиевый провод подходящего сечения.
Глава 9. Схемотехника трансформаторных источников сварочного тока
347
правая катушка
Л Л А Л Л Л Л
\\\\\ \
т
Л Л А
\ \ \ X
ТУ
1/211
1/211
X X X X X X
к 1
ика I
| • левая катушка
2 1 о н
Рис. 9.10. Схема намотки катушек трансформатора
Если имеющийся обмоточный материал состоит из нескольких кусков,
то эти куски необходимо сварить или аккуратно склепать. Пластиковая
или поврежденная изоляция снимается в обязательном порядке. Затем
очищенный провод или шина плотно обматываются киперной лентой
или тонкой хлопчатобумажной тканью, предварительно порезанной на
полосы шириной 20 мм. После изолировки поперечные размеры провода
или шины должны увеличиться примерно на 0,5 мм.
После намотки каждого слоя обмотка уплотняется легкими ударами
деревянного молотка, после чего намотанный слой обильно промазы-
вается пропиточным лаком.
После намотки и пропитки трансформатор следует просушить.
Температура и время сушки определяются маркой используемого про-
питочного лака.
Конструкция сердечника трансформатора изображена на рис. 9.11.
Сердечник набран из пластин стали толщиной 0,27—0,5 мм. Имеющееся
железо сначала рубят на полосы, потом режут на фрагменты, длина
которых указана на рис. 9.6. Заусенцы на краях рубленого железа
необходимо удалить с помощью надфиля или мелкого напильника.
Сердечник собирается в «перекрышку» с возможно меньшими зазо-
рами в местах стыковки отдельных листов.
Описание схемы приводится по [29,68].
144
200
1
240
104
Четный слой Нечетный слой
Рис. 9.11. Конструкция сердечника трансформатора
ГЛАВА 10
СХЕМОТЕХНИКА ИНВЕРТОРНЫХ
ИСТОЧНИКОВ СВАРОЧНОГО ТОКА
10.1. Принцип действия
инверторных сварочных источников
Наиболее перспективным является новый тип сварочных источни-
ков — инверторные. Инверторные источники структурно очень похожи
на трансформаторные источники с выпрямителем. Однако трансфор-
маторы этих источников работают н&, повышенной частоте, которая
получается при помощи специальных преобразователей — инверторов.
Влияние рабочей частоты на габариты трансформатора. Транс-
форматор является необходимым элементом любого источника свароч-
ного тока. Он понижает напряжение сети до уровня напряжения дуги,
а также осуществляет гальваническую развязку сети и сварочной цепи.
Известно, что размеры трансформатора определяются его рабочей
частотой, а также качеством магнитного материала сердечника.
D
Примечание.
При понижении частоты габариты трансформатора возрас-
тают, а при повышении - уменьшаются.
Трансформаторы классических источников сварочного тока рабо-
тают на относительно низкой частоте сети. Поэтому вес и габариты
этих источников в основном определялись массой, а также объемом
сварочного трансформатора.
В последнее время были разработаны различные высококачествен-
ные магнитные материалы, позволяющие несколько улучшить мас-
согабаритные параметры трансформаторов и сварочных источников.
Однако существенного улучшение этих параметров можно добиться
только за счет увеличения рабочей частоты трансформаторов. Так
как частота сетевого напряжения является стандартом и не может
быть изменена, то повысить рабочую частоту трансформатора можно,
используя специальный электронный преобразователь.
Блок-схема инверторного сварочного источника. Упрощенная
блок-схема инверторного сварочного источника (ИСИ) изображена
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
349
-Сеть
220 В-
50 Гц
НИР
Электрод
Деталь
Рис. 10.1. Упрощенная блок-схема инверторного сварочного источника
на рис. 10.1. Рассмотрим схему. Сетевое напряжение выпрямляется и
сглаживается, а затем подается на электронный преобразователь. Он
преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение высо-
кой частоты. Переменное напряжение высокой частоты трансформиру-
ется при помощи малогабаритного высокочастотного трансформатора.
Затем напряжение выпрямляется и подается в сварочную цепь.
Работа электронного преобразователя тесно связана с циклами пере-
магничивания трансформатора. Так как ферромагнитный материал
сердечника трансформатора обладает нелинейностью и насыщается, то
индукция в сердечнике трансформатора может расти лишь до какого-то
максимального значения Вт.
После достижения этого значения сердечник необходимо размагнитить
до нуля или перемагнитить в обратном направлении до значения -Вт.
Энергия может передаваться через трансформатор:
♦ в цикле намагничивания;
♦ в цикле перемагничивания;
♦ в обоих циклах.
Определение.
Преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в одном цикле
перемагничивания трансформатора, называются однотактными.
Соответственно, преобразователи, обеспечивающие передачу энер-
гии в обоих циклах перемагничивания трансформатора, называются
двухтактными.
10.2. Лучшие конструкции инверторных
источников сварочного тока
Однотактный прямоходовый преобразователь
Преимущества. Однотактные преобразователи получили наиболь-
шее распространение в дешевых и маломощных инверторных свароч-
ных источниках, рассчитанных на работу от однофазной сети. В уело-
350 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
виях резко переменной нагрузки, каковой является сварочная дуга,
однотактные преобразователи выгодно отличается от различных двух-
тактных.преобразователей:
♦ они не требует симметрирования;
♦ они не подвержены такой болезни, как сквозные токи.
Следовательно, для управления этим преобразователем требуется
более простая схема управления по сравнению с той, которая потребу-
ется для двухтактного преобразователя.
Классификация. По способу передачи энергии в нагрузку, одно-
тактные преобразователи делятся на прямоходовые и обратноходо-
вые (рис. 10.2). В прямоходовых преобразователях энергия в нагрузку
передается в момент замкнутого состояния, а в обратноходовых — в
момент разомкнутого состояния ключевого транзистора VT. При этом, в
обратноходовом преобразователе, энергия запасается в индуктивности
трансформатора Т во время замкнутого состояния ключа и ток ключа
имеет форму треугольника с нарастающим фронтом и крутым срезом.
о
Примечание.
При выборе типа преобразователя ИСИ между прямоходовым и
обратноходовым, предпочтение отдается прямоходовому одно-
тактному преобразователю.
Ведь, не смотря на его большую сложность, прямоходовый преоб-
разователь, в отличие от обратноходового, имеет большую удельную
мощность. Это объясняется тем, что в обратноходовом преобразова-
теле через ключевой транзистор протекает ток треугольной формы, а
в прямоходовом — прямоугольной. Следовательно, при одном и том
же максимальном токе ключа, среднее значение тока у прямоходового
преобразователя получается в два раза выше.
Основными достоинствами обратноходового преобразователя
является:
♦ отсутствие дросселя в выпрямителе;
♦ возможность групповой стабилизации нескольких напряжений.
Эти достоинства обеспечивают преимущество обратноходовым
преобразователям в различных маломощных применениях, каковыми
являются источники питания различной бытовой теле- и радиоаппара-
туры, а также служебные источники питания цепей управления самих
сварочных источников.
Моточные элементы. Трансформатор однотранзисторного прямо-
ходового преобразователя (ОПП), изображенного на рис. 10.2, б, имеет
специальную размагничивающую обмотку III. Эта обмотка служит для
размагничивания сердечника трансформатора Т, который намагничи-
вается во время замкнутого состояния транзистора VT.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
351
^W ГУ инп,
VD
Й-
W7T
II *С Ян
'ср!
'
VT
R3
-Un
0—
tn t
VD
•II$VD1$VDO =fc=C| |Rh
к
tn
Im
tn
Tn
1.
t
Рис. 10.2. Типы однотактного преобразователя
и соответствующие им формы тока ключа:
а - обратноходовый преобразователь; б - прямоходовый преобразователь
В это время напряжение на обмотке III прикладывается к диоду
VD3 в запирающей полярности. Благодаря этому размагничивающая
обмотка не оказывает никакого влияния на процесс намагничивания.
После закрытия транзистора VT:
♦ напряжение на обмотке III меняет свою полярность;
♦ диод VD3 отпирается;
♦ энергия, накопленная в трансформаторе Т, возвращается в пер-
вичный источник питания U.
в
Примечание.
Однако на практике, из-за недостаточной связи между обмотками
трансформатора, часть энергии намагничивания не возвращается
в первичный источник. Эта энергия обычно рассеивается в транзи-
сторе VTu демпфирующих цепочках (на pud. 10.2 не показаны), ухуд-
шая общую эффективность и надежность преобразователя.
Косой мост. Указанный недостаток отсутствует в двухтранзи-
сторном прямоходовом преобразователе (ДПП), который зачастую
называют «косой мост» (рис. 10.3, а). В этом преобразователе (благо-
даря введению дополнительного транзистора и диода) в качестве
размагничивающей обмотки используется первичная обмотка транс-
форматора. Так как эта обмотка сама с собою полностью связана, то
проблемы не полного возврата энергии намагничивания совершенно
исключаются.
Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемаг-
ничивания сердечника трансформатора.
352
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рис. 10.3 Двухтранзисторный прямоходовый преобразователь (ЦПП):
а - принципиальная электрическая схема; б - процесс перемагничивания сердечника
а
Примечание.
Общей особенностью всех однотактных преобразователей явля-
ется то, что их трансформаторы работают в условиях с одно-
сторонним намагничиванием.
Магнитная индукция В (в трансформаторе с односторонним намаг-
ничиванием) может изменяется только в пределах от максимальной Вт
до остаточной Вг, описывая частную петлю гистерезиса.
Когда транзисторы VT1, VT2 преобразователя открыты, энергия
источника питания Un через трансформатор Т передается в нагрузку.
При этом сердечник трансформатора намагничивается в прямом
направлении (участок а-b на цис. 10, б).
Когда транзисторы VT1, VT2 заперты, ток в нагрузке поддержива-
ется за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается
через диод VD0. В этот момент, под действием ЭДС обмотки I, открыва-
ются диоды VD1, VD2. При этом через них протекает ток размагничи-
вания сердечника трансформатора в обратном направлении (участок
Ь-а на рис. 10.3, б).
Изменение индукции ДВ в сердечнике происходит практически от
Вт до Вг и значительно меньше значения ДВ= 2-Вт, возможного для
двухтактного преобразователя. Некоторый прирост ДВ можно получить
с помощью введения немагнитного зазора в сердечник. Если сердеч-
ник имеет немагнитный зазор 8, то остаточная индукций становится
меньше, чем Вг. В случае наличия немагнитного зазора в сердечнике,
новое значение остаточной индукции можно найти в точке пересече-
ния прямой, проведенной из начала координат под углом Э, к кривой
перемагничивания (точка В1 на рис. 10.3, б).
где \х — магнитная проницаемость; /—длина средней силовой магнитной
линии магнитного сердечника, м; 8 — длина немагнитного зазора, м.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
353
в
Определение.
Магнитная проницаемость - это отношение индукции В к напря-
женности Н для вакуума (также справедливо и для немагнитного
воздушного зазора) и является физической постоянной, численно
равной \} = 4пЛ0 Гн/м.
Величину tg6 можно рассматривать как проводимость немагнит-
ного зазора, приведенную к длине сердечника. Таким образом, вве-
дение немагнитного зазора эквивалентно введению отрицательной
напряженности магнитного поля:
HI = -Bl/tgG.
Описания схем приводится по [29,68].
Двухтактный мостовой преобразователь
Достоинства. Двухтактные преобразователи содержат большее
количество элементор и требуют более сложных алгоритмов управле-
ния. Однако эти преобразователи обеспечивают меньшую пульсацию
входного тока, а также позволяют получить большую выходную мощ-
ность и эффективность, при одинаковой мощности дискретных ключе-
вых компонентов.
Схема. На рис. 10.4, а изображена схема двухтактного мостового
преобразователя. Если сравнивать этот преобразователь с однотакт-
ными, то он ближе всего к двухтранзисторному прямоходовому пре-
образователю (рис. 10.3). Двухактный преобразователь легко в него
преобразуется, если убрать пару транзисторов и пару диодов, располо-
женных по диагонали (VT1, VT4, VD2, VD3 или VT2, VT3, VD1, VD4).
-Вт
VD6
Рис. 10.4. Двухтактный мостовой преобразователь (ДМП):
а - принципиальная схема; б - процесс перемагничивания сердечника
354 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Примечание.
Таким образом, двухтактный мостовой преобразователь явля-
ется комбинацией двух однотактных преобразователей, рабо-
тающих поочередно. При этом энергия в нагрузку передается в
течение всего периода работы преобразователя, а индукция в сер-
дечнике трансформатора может меняться от -Вт до +Вт.
Как и в ДПП, диоды VD1—VD4 служат для возврата энергии, нако-
пленной в индуктивности рассеяния Ls трансформатора Т, в первичный
источник питания U. В качестве этих диодов могут быть использованы
внутренние диоды MOSFET.
Принцип действия. Рассмотрим подробнее процессы, происходя-
щие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.
Примечание.
Общей особенностью всех двухтактных преобразователей явля-
ется то, что их трансформаторы работают в условиях с симме-
тричным перемагничиванием.
Магнитная индукция В, в сердечнике трансформатора с симметрич-
ным перемагничиванием, может изменяется в пределах от отрица-
тельно -Вт до положительной +Вт максимальной индукции.
В каждом полупериоде работы ДМП открыты два ключа, расположен-
ные по диагонали. В паузе все транзисторы преобразователя обычно
закрыты, хотя существуют режимы управления, когда некоторые тран-
зисторы преобразователя остаются открытыми и в паузе.
Сосредоточимся на режиме управления, при котором в паузе все
транзисторы ДМП закрыты.
Когда транзисторы VT1, VT4 преобразователя открыты, энергия
источника питания Un, через трансформатор Т, передается в нагрузку.
При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном
обратном направлении (участок b-а на рис. 10.4, б).
В паузе, когда транзисторы VT1, VT4 закрыты, ток в нагрузке поддер-
живается за счет энергии, запасенной в дросселе L. При этом ток замыка-
ется через диод VD7. В этот момент одна из вторичных обмоток (Па или
lib) трансформатора Т замкнута накоротко через открытый диод VD7
и один из выпрямительных диодов (VD5 или VD6). В результате этого
индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется.
После завершения паузы открываются транзисторы VT2, VT3 преоб-
разователя, и энергия источника питания Un, через трансформатор Т,
передается в нагрузку.
При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном
прямом направлении (участок а-b на рис. 10.4, б). В паузе, когда тран-
зисторы VT2, VT3 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энер-
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 355
гии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7.
В этот момент индукция в сердечнике трансформатора практически не
меняется и фиксируется на достигнутом положительном уровне.
Примечание.
Из-за фиксации индукции в паузах сердечник трансформатора
Т способен перемагничиваться только в моменты открытого
состояния диагонально расположенных транзисторов.
Чтобы в этих условиях избежать одностороннего насыщения необ-
ходимо обеспечить равное время открытого состояния транзисторов, а
также симметричность силовой схемы преобразователя.
Описание схемы приводится по [29,68].
Простой самодельный инверторный сварочный источник
Назначение. Предназначен для производства сварки по технологии
ММА (Manual Metal Arc (Welding)—ручная металлическая дуговая сварка).
Характеристики. Максимальный сварочный ток 160 А. Имеется
возможность плавной регулировки тока в диапазоне от 30 до 160 А, что
позволяет использовать сварочные электроды диаметром 1,6—5 мм.
Периодичность нагрузки (ПН) источника при максимальном
токе составляет около 40%. Это означает, что источник может работать
2 минуты в течение каждого 5-ти минутного сварочного цикла. Это
весьма неплохой показатель для бытового сварочного источника и он
почти не уступает промышленном сварочным источникам, у которых
ПН=60%. Для сравнения стоит упомянуть, что ПН дешевых сварочных
источников из восточной Азии обычно не превышает 20%.
Блок управления. Блок управления (БУ) сварочного источника:
♦ позволяет регулировать сварочный ток;
♦ формирует падающую внешнюю нагрузочную характеристику
сварочного источника путем контроля тока в нагрузке и фор-
мирования соответствующего ШИМ управляющего сигнала для
прямоходового преобразователя;
♦ осуществляет защитные функции, не допускающие поврежде-
ния элементов преобразователя от перегрева и перегрузки, в
условиях резкоизменяющейся нагрузки источника.
Блок управления сварочного инвертора построен на основе попу-
лярного и доступного однотактного ШИМ-контроллера UC3845, произ-
водства компании Texas Instruments. Отечественным аналогом этого
контроллера является микросхема 1033ЕУ13. Эти микросхемы или их
аналоги можно без проблем обнаружить на прилавках любого город-
ского магазина радиодеталей.
356
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Микросхема UC3845 предназначена для использования в различ-
ных сетевых источниках питания и DC-DC преобразователях. Ее основ-
ные особенности:
♦ малый пусковой ток (< 1 мА);
♦ программируемый ток разрядки конденсатора генератора;
♦ ограничение тока в каждом импульсе;
♦ улучшенные нагрузочные характеристики;
♦ блокировка от понижения напряжения, имеющая гистерезис;
♦ подавление сдвоенных импульсов;
♦ мощный выходной каскад;
♦ внутренний источник опорного напряжения;
♦ возможность работа на частоте до 500 кГц;
♦ усилитель ошибки с низким выходным сопротивлением.
Микросхема UC3845 содержит все аналоговые и цифровые узлы,
необходимые для построения импульсных источников питания,
работающих в токовом режиме. Стартовый ток
контроллера гарантированно не превышает 1 мА. В
течение блокировки от пониженного напряжения,
выходной каскад способен потреблять из выход-
ной цепи ток > 10 мА, если напряжение VCC пре-
вышает 6,2 В.
На рис. 10.5 показан вариант схемотехнического
изображения микросхемы UC3845. В табл. ЮЛ рас-
писана нумерация и обозначения выводов микро-
схемы.
Нумерация выводов микросхемы UC3825 Таблица ЮЛ
UC3845
СМР
VFB
ILM
RC
PWM
VRF
Vcc
OUT
GND
Рис. 10.5.
Схемотехническое
изображение
ШИМ-контроллера
UC3845
Вывод
1
2
3
4
5
6
7
8
Обозначение
СМР
VFB
ILM
RC
GND
OUT
VCC
VRF
Функция
Выход усилителя ошибки
Инвертирующий вход усилителя ошибки
Вход компаратора ШИМ
Частотозадающий вход
Общий вывод
Выход
Напряжение питания
Опорное напряжение
На рис. 10.6 показана блок-схема ШИМ-контроллера UC3825.
Компаратор пониженного напряжения. Компаратор понижен-
ного напряжения блокирует работу микросхемы UC3845, если ее напря-
жение питания опустилось ниже допустимого уровня. Компаратор
имеет гистерезис срабатывания, благодаря которому исключается воз-
можность беспорядочного включения/выключения микросхемы.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
357
Vcc
kVRF
Компаратор пониженного напряжения
Контроль
опорного
напряжения
Рис. 10.6. Блок-схема ШИМ-контроллера UC3825
Средний уровень включения компаратора пониженного напряжения
составляет 8,4 В, а уровень выключения составляет 7,6 В.
Примечание.
Если напряжение питания микросхемы превышает уровень вклю-
чения, то компаратор включается, и высокий уровень с его выхода
разрешает работу источника опорного напряжения.
По'сле появления опорного напряжения узел контроля опорного
напряжения разрешает работу выходного каскада контроллера.
Если напряжение питания Микросхемы опустилось ниже уровня
выключения, то компаратор выключается, и низкий уровень с его
выхода запрещает работу источника опорного напряжения. После этого,
посредством узла контроля опорного напряжения, запрещает работы
выходного каскада и на выходе OUT фиксируется низкий уровень.
Источник опорного напряжения. Источник опорного напряжения
5 В служит для выполнения нескольких важных функций. Например,
это напряжение, деленное пополам (2,5 В) при помощи внутреннего
делителя напряжения, прикладывается к не инвертирующему входу
усилителя ошибки.
* Кроме этого опорное напряжение используется для формирования токов
смещение и внутренних порогов, таких как пороги генератора и порог огра-
ничения максимального тока (1 В). Источник опорного напряжения имеет
внешний вывод VRF, на котором присутствует напряжение 5 В.
Это напряжение может использоваться для различных целей, напри-
мер, для формирования сигнала задания сварочного тока. Ток нагрузки
источника опорного напряжения не должен превышать 20 мА. Для нор-
мальной работы источника опорного напряжения к внешнему выводу
358 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
VRF необходимо подключить керамический конденсатор емкостью
0,1 мкФ. Этот конденсатор располагается на минимально возможном
расстоянии от выводов VRF и GND.
Генератор. Генератор позволяет настраивать рабочую частоту ШИМ
сигнала и максимальное заполнение импульса, которое для микро-
схемы UC3845 не может превышать 50%. Во время работы внешний
конденсатор С, подключенный к выводу RC, заряжается током, опреде-
ляемым резистором R, который подключен между выводами RC и VRF.
После того как напряжение на конденсаторе достигает верхнего
порога (примерно 3 В), внутренний триггер генератора переключается
и начинается разрядка конденсатора. Во время разрядки генератор
формирует внутренний синхронизирующий импульс, который уста-
навливает триггер защелки ШИМ и принудительно фиксирует низкий
уровень на выходе OUT.
Разрядка конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение
на нем не достигнет напряжения (й^римерно 1,3 В). После этого вну-
тренний триггер генератора возвращается в исходное состояние, при
котором начинается новый цикл. И конденсатор снова заряжается.
Микросхема UC3845 имеет встроенный счетный триггер Т, кото-
рый служит для ограничения максимального заполнения импульса на
уровне 50%. Поэтому генератор должен работать на частоте в два раза
превышающей частоту ШИМ сигнала. Максимальная частота генера-
тора может достигать 500 кГц.
Усилитель ошибки. Усилитель ошибки служит для измерения и
компенсации ошибки регулирования выходного напряжения преобра-
зователя, построенного на микросхеме UC3845. Для этого неинвертиру-
ющий вход усилителя ошибки связан с внутренним пороговым напря-
жением 2,5 В.
Это напряжение является опорным и именно с ним сравнивается
выходное напряжение преобразователя, которое через соответству-
ющий делитель напряжения подается,к инвертирующему входу уси-
лителя ошибки, который подключен к выводу VFB. Это классическая
схема использования усилителя ошибки.
Выход усилителя ошибки подключен к внешнему выводу СМР. Этот
выход используется для подключения различных схем компенсации,
позволяющих увеличить устойчивость системы регулирования выход-
ного напряжения преобразователя. Выходное напряжение усилителя
ошибки через цепочку из двух последовательно включенных диодов
и через делитель напряжения 2R/R поступает на инвертирующий вход
компаратора ШИМ.
Компаратор ШИМ. Модулятор ширины импульса, выполненный на
компараторе ШИМ, по существу сравнивает выход усилителя ошибки
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 359
с выходным напряжением датчика тока. Это не прямое сравнение, т. к.
между выходом усилителя ошибки и входом компаратора ШИМ вклю-
чена цепочка, состоящая из двух диодом и делителя напряжения.
Диодная цепочка создает смещение напряжения, которое позволяет
гарантированно получить нулевое заполнение импульса при низком
напряжении на выходе усилителя ошибки.
Делитель снижает до допустимого уровня колебания напряжения на
выходе усилителя ошибки. Стабилитрон, подключенный к инвертиру-
ющему входу компаратора ШИМ, ограничивает максимальное напря-
жение на этом входе и соответственно максимальный ток преобразова-
теля на уровне, при котором датчик тока выдает напряжение 1 В. Таким
образом осуществляется защита по максимальному току.
Защелка ШИМ. RS-триггер защелки ШИМ используется для фор-
мирования ШИМ сигнала. Этот триггер устанавливается импульсом с
генератора. Импульс формируется во время разрядки конденсатора
Ст, и сбрасывается сигналом с компаратора ШИМ. Сброс происходит
после того как напряжение сигнала, поступающего с датчика тока,
превышает уровень напряжения на инвертирующем входе компара-
тора ШИМ.
Когда защелка ШИМ установлена, разрешается формирование
высокого управляющего уровня на выводе OUT. Когда защелка ШИМ
сброшена, — на выводе OUT удерживается низкий уровень, близкий
к потенциалу общего провода. ШИМ модуляция выходных импуль-
сов микросхемы осуществляете^ изменением уровня напряжения на
инвертирующем входе компаратора ШИМ.
Выходной каскад. Микросхема UC3845 имеет выходной каскад (драй-
вер), предназначенный для непосредственного управления мощным
транзистором однотактного преобразователя. Для управления MOSFET
транзистором выходной каскад способен формировать импульсные
управляющие втекающий и вытекающий токи амплитудой до 1 А.
Выходной каскад микросхемы UC3845 также способен управлять
биполярным транзистором. Однако в этом случае средний втекающий
и вытекающий ток не должен превышать 0,2 А. Для ограничения вели-
чины импульсного или среднего тока между выходом OUT и управляю-
щим электродом транзистора включается резистор, величина которого
определяется по закону Ома делением напряжения питания микро-
схемы на максимальный ток управления.
При работе выходного каскада на длинную цепь управления или пер-
вичную обмотку импульсного трансформатора, потенциал вывода OUT
может кратковременно опускаться ниже потенциала общего провода,
что может привести к сбоям в работе микросхемы, а также к поврежде-
нию выходного каскада. Для предотвращения отрицательных выбро-
CM
+15 В
VD3
1N4007
VT1
ВС337
+15 В
C15
={=0,22мк
X400B
+15 В
R14 5,6к
DA1 UC3845
CMP
VFB
ILM
RC
PWM
.C8
"4.7H
+15 В-
СЮ.
0,1мк"
DD1
CD40106
+15 В
R15
470
_LC9 MR1
"TWO IJi.i
2200мк х 35 В
Место врезки DO_ ол
лампочки на VD12 «27 20
этапе наладки 2хКВРС3508
источника^
RU3
S20K250
01
■о
VT3
XS3
р
I
0,01 мк
X
i
X
X
I
о
3
3
б
Рис. 10.7. Принципиальная электрическая схема простого сварочного инвертора
362 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
сов, между выводами OUT и GND микросхемы необходимо включать
диод Шоттки, обращенный катодом к выводу OUT.
Схема сварочного инвертора. На рис. 10.7 представлена принци-
пиальная электрическая схема простого сварочного инвертора.
Источник питается от сетевого переменного напряжения 220 В 50 Гц,
которое через контакты сетевого разъема ХР1/1 и ХР1/2, автоматический
выключатель SF1 и контакт реле К1 поступает на мостовой выпрямитель
VD12, состоящий из двух мостиков типа КВРС3508, включенных парал-
лельно. Для сглаживания пульсаций сетевого напряжения используется
батарея электролитических конденсаторов большой емкости С18.
Через предохранитель F1 сетевое напряжение поступает на двига-
тель вентилятора Ml и первичную обмотку маломощного понижаю-
щего трансформатор ТЗ. С вторичной обмотки этого трансформатора
напряжение поступает на диодный мостик VD4, выпрямляется, а затем
сглаживается при помощи конденсатора фильтра С5.
Постоянное напряжение на конденсаторе С5 используется для пита-
ния обмотки реле К1, а также являете!* входным для стабилизатора DA3.
На выходе стабилизатора DA3 присутствует стабильное напряжение
+15 В, которое используется для питания всех цепей управления сва-
рочного источника. Индикация наличия стабильного напряжения +15 В
осуществляется при помощи светодиода HL2 «Сеть».
Чтобы зарядный ток конденсатора С18 не повредил выпрямитель
VD12 и не перегрузил питающую сеть, поступают так. Сразу после
включения источника конденсатор С18 заряжается через резистор R27,
который с задержкой времени в 1 с шунтируется контактом реле К1.
Задержка времени формируется электронным реле времени, собран-
ном на логических элементах (триггеры Шмитта) DD1.1, DD1.2 и ком-
понентах СЗ, R5, R6, VD2,VD3, VT1 и К1. После включения сварочного
источника конденсатор СЗ разряжен, и на выходе DD1.2 присутствует
низкий логический уровень. Поэтому транзистор VT1 закрыт, и кон-
такты реле К1 разомкнуты. Одновременно низкий логический уровень
на выходе DD1.2 при помощи логического элемента DD1.3 превраща-
ется в высокий логический уровень.
Это высокий уровень через диод VD17 заряжает конденсатор
С24 и далее, через резистор R30, поступает на базу транзистора VT2.
Транзистор VT2 открывается и соединяет с общим проводом вывод
СМР контроллера DA1. В этом состоянии контроллер заблокирован,
транзисторы преобразователя VT3, VT4 заперты и не мешают нормаль-
ной зарядке конденсатора фильтра С18.
Через 1 с напряжение на конденсаторе С1 достигает порога сраба-
тывания логического элемента. Элементы DD1.1 и DD1.2 меняют свое
состояние, а на выходе DD1.2 появляется высокий логический уровень.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 363
При этом транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает и своими
контактами замыкает зарядный резистор R27.
Одновременно высокий логический уровень на выходе DD1.2, при
помощи логического элемента DD1.3, превращается в низкий логический
уровень, который запирает диод VD17. Конденсатор С24 разряжается через
резистор R30 и переход база-эмиттер транзистора VT2. После этого тран-
зистор VT2 запирается и перестает шунтировать вывод СМР контроллера.
В результате контроллер DA1 начинает формировать ШИМ сигнал, и
сварочный источник включается. С помощью RC цепочки R14C8 зада-
ется частота сигнала ШИМ, которая составляет 33 кГц. При этом частота
генератора ШИМ-контроллера в два раза выше и составляет 66 кГц.
Напряжение на выводе СМР, а, следовательно, заполнение ШИМ сиг-
нала, регулируется при помощи переменного резистора R10 «Ток». Этот
резистор является частью регулируемого делителя напряжения R8—
R11, к которому прикладывается опорное напряжение с вывода VRF
микросхемы DA1.
Напряжение с движка резистора R10 поступает на вход инвертиру-
ющего усилителя напряжения, построенного на резисторах R12, R13 и
усилителе ошибки микросхемы DA1, выход которого соединен с выво-
дом СМР (рис. 10.6).
Примечание.
Так как усилитель инвертирующий, то максимальное заполнение
импульсов и максимальный сварочный ток соответствуют ниж-
нему (по схеме) положению движка резистора R10.A минимальный
сварочный ток соответствует верхнему положению движка.
При помощи подстроечного резистор R8 (в нижнем положении
движка резистора R10) устанавливают максимальный сварочный ток
160 А. При этом минимальный сварочный ток должен получиться авто-
матически. Конденсаторы С6, С7 улучшают помехозащищенность узла
задания сварочного тока.
С вывода OUT микросхемы DA1 ШИМ сигнал поступает на входы HIN
и LIN микросхемы драйвера DA2. Микросхема IR2110 является драйве-
ром верхнего и нижнего транзистора стойки двухтактного преобразо-
вателя. Однако, как показал опыт, эти драйверы прекрасно работают в
однотактных преобразователях.
Постоянное напряжение с конденсатора С18 поступает на прямохо-
довый преобразователь, выполненный на транзисторах VT3 и VT4, где
преобразуется в напряжение высокой частоты (33 кГц).
С выхода преобразрвателя (через трансформатор тока Т1) высокоча-
стотное напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора
Т2. Трансформатор Т2 уменьшает амплитуду высокочастотного напря-
364 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
жения до необходимой величины и осуществляет гальваническую раз-
вязку сварочной цепи от сети.
Переменное напряжение с выхода трансформатора выпрямляется
однополупериодным выпрямителем на диодах VD13,VD14nVD15 типа
15OEBUO2. Пульсация выпрямленного тока сглаживаются с помощью
дросселя L1, после которого постоянный ток поступает в сварочную цепь.
RCD-цепочки R24C16VD9 и R25C17VD1O, включенные параллельно
транзисторам VT3 и VT4, уменьшают мощность, рассеиваемую на этих
транзисторах в момент их запирания.
Токовая обратная связь осуществляется при помощи трансформа-
тора тока Т1, который имеет асимметричную нагрузку.
В цикле прямого хода преобразователя трансформатор нагружен на
низкоомное сопротивление R16. А в цикле обратного хода он нагружен
на сопротивление R17, которое почти в 50 раз более высокоомное.
Примечание.
Более высокое сопротивление резистора R17 является гарантией
того, что трансформатор тока будет полностью размагничен
во время обратного хода преобразователя.
Сигнал токовой обратной связи снимается с резистора R16 и через
RC фильтр R15C9 подается на вывод ILM ШИМ контроллера.
Схема контроля температуры использует контактные термостаты,
имеющие определенную температуру срабатывания. Совместно с данным
блоком управления могут использоваться термостаты как с нормально
разомкнутыми SK1, так и с нормально замкнутыми SK2 контактами.
Также возможно одновременное использование термостатов с раз-
Личными типами контактов. Термостат SK1 с нормально разомкнутыми
контактами, через RC фильтр R2C1 подключается на вход логического
элемента DD1.4. С выхода этого элемента (через диод VD1) инвертиро-
ванный сигнал поступает на вход логического элемента DD1.5. На вход
этого же логического элемента через фильтр R3C2 подключается термо-
стат SK2 с нормально закрытыми контактами.
Примечание.
Если термостат SK2 не используется, то вместо него нужно
установить перемычку.
При срабатывании любого из термостатов, на выходе логического
элемента DD1.5 появляется высокий логический уровень, который,
через диод VD16 и резистор R30 поступает на базу транзистора VT2.
Транзистор VT2 открывается и соединяет с общим проводом вывод
СМР контроллера DA1. В этом состоянии работа контроллера блокиру-
ется, а транзисторы преобразователя VT3, VT4 запираются.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 365
Одновременно высокий уровень на выходе логического элемента
DD1.5 инвертируется логическим элементом DD1.6 и зажигает свето-
диод HL1 «Перегрев», показывающий, что сварочный источник отклю-
чился по причине перегрева.
Элементная база и аналоги. Все детали сварочного источника
делятся на две категории:
♦ детали, которые покупают в готовом виде;
♦ детали, которые необходимо изготовить.
К последней категории обычно относятся различные моточные узлы,
а детали первой категории йриобретаются в магазинах радиодеталей.
Кроме электронных компонентов, указанных на схеме, можно исполь-
зовать компоненты других производителей. Это допустимо при условии,
что эти детали будут иметь аналогичные или не худшие параметры.
При отсутствии микросхемы ШИМ-контроллера типа UC3845 (с любыми
буквенными индексами), можно использовать ее отечественный аналог
1033ЕУ13 или зарубежные аналоги - КА3845, IP3845, LT1245 и т. п.
В качестве конденсаторов С16, С17 можно использовать отечествен-
ные полипропиленовые конденсаторы типа К78-2 или аналогичные
конденсаторы других производителей. Например, подойдут полипро-
пиленовые конденсаторы FKP/MKP фирмы Wima или конденсаторы
MFP/MKP фирмы Epcos.
В качестве ТЗ можно использовать готовый понижающий транс-
форматор 220 В/18—20 В, мощностью 5 Вт. Реле К1 должно иметь нор-
мально разомкнутые контакт^ способные коммутировать ток 25—30 А,
и обмотку, рассчитанную на постоянное напряжение 24 В.
В качестве К1 с большим успехом можно использовать реле NT90
RHA DC24V, NT90 RNA DC24V или JQX-54W А25 DC24V производства
китайской компании Ningbo Forward Relay.
Мощные транзисторы и диоды сварочного источника охлаждаются при
помощи двух алюминиевых радиаторов из профиля БПО-1909 (рис. 10.8)
длиной 120 мм. Каждый радиатор имеет 13 ребер высотой 32 мм.
На одном радиаторе установлены транзисторы и диоды инвертора
VT3, VT4, VD8-VD11, а также резисторы RCD цепочек R24, R25. На дру-
гом радиаторе установлены мосты 10x12=120
выпрямителя VD12, а также диоды
Монтаж конструкции. В кор-
пусе источника радиаторы уста-
новлены ребрами друг к другу,
образуя канал охлаждения, в кото-
рый при помощи вентилятора Ml ^ 108 Шттевый профиль
нагнетается охлаждающий воздух. впо-1909
366 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Считается, что температура окружающего воздуха не выше 40°С. Для
уменьшения теплового сопротивления транзисторы и диоды установ-
лены на алюминиевые пластины толщиной 4 мм и размером 25х30 мм,
которые затем, через слюдяную прокладку толщиной 0,05 мм, при-
жимаются к радиатору. Катоды диодов VD13—VD15 соединены между
собой, и поэтому их можно установить на одну общую пластину.
Внимание.
После установки мощных транзисторов и диодов на радиаторы с
использованием слюдяной изоляции необходимо проверить проч-
ность этой изоляции при помощи обычного электротехнического
мегомметра напряжением 500 В.
Для такой проверки один конец мегомметра подключают к радиа-
тору, а другой — к алюминиевой пластине, на которой установлен полу-
проводниковый прибор.
Внимание.
Нельзя подключать концы мегомметра к выводам полупроводни-
ковых приборов во избежание их повреждения.
Сопротивление исправной изоляции обычно находится в диапазоне
50-100 МОм.
Мосты выпрямителя VD12 устанавливается на радиатор непосред-
ственно, т. е. без всякой изоляции. Вместо двух мостиков КВРС3508,
можно использовать один мостик на 50 А, например, КВРС5008.
На каждом радиаторе устанавливается контактный термостат с тем-
пературой срабатывания 85—90°С.
Совет.
Для этой цели хорошо подходят термостаты серий 1002,1009,
2002, производимые компанией Sang Мао.
Моточные элементы. Дроссель L1 можно выполнить на четырех
сердечниках ПК40*18 из феррита 3000НМС. Такие сердечники можно
извлечь из старых строчных трансформаторов ТВС-90ЛЦ5. Сердечники
складываются буквой Н (рис. 10.9). На них мотаются 9 витков литцен-
драта сечением 26,6 мм. Если литцендрат наби-
рается из обмоточного провода 00,55 'мм, то
-сердечник ддд получения необходимого сечения потребу-
ется пучок из ПО проводников.
Трансформатор тока Т1 мотается на кольце-
выводы вой сердечник К32*16><8 из феррита М2000НМ1.
Рис Ю.9. Конструкция Вторичная обмотка содержит 100 витков эма-
дросселя лированного медного провода 00,3 мм. Роль
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
367
первичной обмотки выполняет провод, проходящий через отверстия
кольца.
Трансформатор Т2 можно выполнить на двух Ш-образных сердечни-
ках Е65/32/27 из феррита N87 (Epcos) или на двух Ш-образных сердеч-
никах ЕЕ6527 из феррита CF138 (Cosmo Ferrites).
Первичная обмотка трансформатора содержит 15 витков провода
литцендрата сечением 5 мм, вторичная обмотка содержит 5 витков про-
вода литцендрата сечением 15 мм. Если обмотки мотаются литцендра-
том, набранным из обмоточного провода 00,55 мм, то для первичной
обмотки необходим пучок из 20 проводников, а для вторичной из 60.
В зазор сердечника необходимо вставить прокладку из немагнитного
и не проводящего материала толщиной 0,15—0,2 мм. В качестве такого
материала можно использовать лист бумаги. Если толщина обычного
листа бумаги составляет 0,1 мм, то для организации необходимого
зазора потребуется толщина двух листов.
Примечание.
При необходимости, трансформатор Т2 можно выполнить на фер-
ритовых сердечниках от строчных трансформаторов ТВС-110ПЦ16.
В этих трансформаторах используются сердечники ПК20*16 из фер-
рита 25ООНМС1. Всего потребуется шесть комплектов сердечников,
которые собираются в виде Ш-образного сердечника (рис. 10.10).
В этом случае первичная обмотка трансфор-
матора содержит 18 витков повода литцендрата
сечением 5 мм, а вторичная Обмотка содержит
6 витков провода литцендрата сечением 15 мм.
В зазор сердечника также необходимо вставить
прокладку из немагнитного и непроводящего
материала толщиной 0,1—0,25 мм.
Намотка трансформатора. Перед тем как
приступить к намотке трансформатора, необ-
ходимо заготовить литцендрат. Для этого, на
расстоянии несколько большем длины провода
обмотки, закрепляют крючки, роль которых с
успехом могут выполнить дверные ручки. Затем между крючками натя-
гивают необходимое количество проводников.
Полученный пучок необходимо разделить на три примерно равные
части и сплести из них косичку. Несколько худший результат можно
получить, если просто скрутить пучок с помощью дрели или коловорота.
Полученный жгут, с небольшим перекрытием, обматывают полосой
лакоткани или тонкой ХБ ткани шириной 8—10 мм (ширина небольшая
для того, чтобы литцендрат потом лучше гнулся). Обмотки трансформатора
( X )
с х )
с х )
Рис. 10.10. Сборка
Ш-образного сердечника
из П-образных
368 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
мотаются в обычном порядке—сначала первичная, потом слой прессшпана
толщиной 0,25 мм, а потом вторичная обмотка.
Обмотка — бескаркасная, мотается на деревянную оправку, длина
которой на 2—3 мм меньше высоты окна сердечника. Оправка должна
повторять форму центрального керна Ш-образного сердечника, но
иметь несколько увеличенные, по сравнению с ним, размеры, чтобы в
последующем обмотка свободно «села» на сердечник.
Совет.
Перед намоткой на оправке нужно закрепить отрезки киперной
ленты, которыми после намотки можно будет стянуть обмотку
трансформатора.
Для того чтобы обмотка не разъезжалась при намотке, по торцам
оправки должны быть установлены достаточно прочные шайбы, диа-
метр которых превышает диаметр готовой обмотки. Готовую обмотку
необходимо подогнать под конфигурацию окна сердечника, а затем
пропитать пропиточным лаком и просушить.
Налаживание. После завершения сборки сварочного источника
необходимо предварительно проверить работоспособность схемы
управления источника с отключенной силовой частью. Для отключения
силовой части необходимо откинуть провода от выпрямителя VD12 и
изолировать их.
Шаг 1. Перед включением источника убедимся в том, что сетевое
напряжение находится в диапазоне от 200 до 240 В.
Шаг 2. Убедившись в исправности сети, вставляем вилку ХР1 сва-
рочного источника в сетевую розетку и включаем автоматический
выключатель SF1. После его включения должен заработать вентилятор
и загореться индикатор «Сеть», а затем (с секундной задержкой) должно
включиться реле К1.
Шаг 3. С помощью тестера, убедимся в том, что на конденсаторе С5
присутствует напряжение +24—30 В, а на выходе стабилизатора DA3
присутствует стабильное напряжение +15 В.
Шаг 4. Убедимся в том, что на выводе 8 микросхемы DA1 присут-
ствует опорное напряжение величиной +5 В.
Шаг 5. Проверим работу усилителя ошибки микросхемы DA1. Для
этого вращаем движок переменного резистора R10 «Ток» из одного
крайнего положения в другое и одновременно контролируем напря-
жение на выводе СМР микросхемы DA1. Напряжение на этом выводе
равно примерно 2 В для минимального сварочного тока и 4,25 В для
максимального.
Шаг 6. Вооружившись осциллографом, убедимся в наличие пилоо-
бразного напряжения амплитудой 3 В и частотой 66 кГц на выводе RC
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 369
микросхемы DA1. При этом на выводе OUT должны присутствовать пря-
моугольные импульсы амплитудой 15 В и частотой 33 кГц.
Шаг 7. Установим временную перемычку между коллектором и
эмиттером транзистора VT3 и с помощью осциллографа убедимся в
наличие прямоугольных управляющих импульсов на выводах LO и НО
микросхемы DA2. Снимем перемычку между коллектором и эмиттером
транзистора VT3.
После проверки работоспособности схемы управления можно
перейти к проверке совместного функционирования схемы управления
и преобразователя сварочного источника.
Шаг 8. Внимательно осматриваем схему преобразователя на пред-
мет отсутствия различного мусора и обрезков проводов, которые по
невнимательности могут быть оставлены после окончания монтажа.
Необходимо внимательно осмотреть трансформаторы Т1 и Т2 и убе-
диться в правильности фазировки их обмоток. Начала обмоток на
принципиальной электрической схеме указаны точкой. Убедится в том,
что конденсатор С15 находится в непосредственной близости к транзи-
сторам VT3, VT4.
Шаг 9. Подключить выпрямитель VD12 в схему. Разорвать провод,
идущий от конденсатора С18 к преобразователю на участке, отмечен-
ном крестиком, и врезать туда обыкновенную лампочку накаливания
220 В, 100—150 Вт. В случае каких-то неисправностей преобразователя
эта лампочка ограничит потребляемый
ток на безопасном уровне и поможет
избежать выгорания дорогих йолупро- ~22о в
водниковых приборов.
Шаг 10. Чтобы обеспечить себе воз- Рис 1О.и. схема первого
можность осциллографических измере- включения к сети сварочного
ний, необходимо подключать свароч- источника
ный источник к питающей сети через разделительный трансформатор
220 В/220 В мощностью 150-200 Вт (рис. 10.11).
Внимание.
Если после включения источника лампочка горит в полный накал,
то что-то не в порядке.
Необходимо убедиться в исправности полупроводниковых прибо-
ров, а также повторить осмотры и проверки с самого начала, но с боль-
шим пристрастием. Если же лампочка горит не в полный накал, то это
является хорошим знаком. Обычно на лампочке падает около 70 В.
Шаг 11. Исключить лампочку и восстановить штатные цепи питания.
Шаг 12. Включить сварочный источник без нагрузки, используя раз-
делительный трансформатор (рис. 10.11). Необходимо убедиться в том,
Сварочный
источник
370
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Рас. 10.12. Осциллограммы в характерных точках схемы:
а - напряжение на эмиттере VT4 в режиме холостого хода;
б - напряжение на выводе ILM DA1 в режиме холостого хода;
в - напряжение на эмиттере VT4 при максимальном сварочном токе 160 А;
г - напряжение на выводе ILM DA1 при максимальном сварочном токе 160 А;
д - напряжение на затворе VT3 при максимальном сварочном токе 160 А;
е - напряжение на катоде VD14 при максимальном сварочном токе 160 А.
что в режиме холостого хода осциллограммы в характерных точках
схемы преобразователя соответствуют изображенным на рис. 10.12.
Напряжение на затворе VT3 будет соответствовать картине полностью
нагруженного источника (рис. 10.12, г) с той лишь разницей, что запол-
нение импульсов будет близким к 50%.
После того, как мы убедились в работоспособности всех узлов сва-
рочного источника, можно приступать к его окончательной проверке.
Для этого отключаем маломощный разделительный трансформатор и
подключаем сварочный источник непосредственно в сеть.
Чтобы убедиться в том, что сварочный источник соответствует ого-
воренным техническим условиям необходимо произвести его испыта-
ние при работе на нагрузку. Обычно при испытаниях, в качестве такой
нагрузки, используют сварочный балластный реостат типа РБ-315
(рис. 10.13) или подобный.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 371
1вх
l 4 t (aV
| Рис. 10.14. Схема испытания
I сварочного источника
Рис. 10.13. Реостат х
балластный РБ-315
Для производства испытаний необходимо собрать соответствующую
схему (рис. 10,14).
Перед включением сварочного источника все рычажки балластного
реостата необходимо перевести в нижнее положение, чтобы обеспечить
режим холостого хода. После включения сварочного источника необхо-
димо убедиться, что на его выходных клеммах присутствует напряже-
ние холостого хода Uxx=50 В.
С помощью переменного резистора R10 «Ток» установим минималь-
ный сварочный ток. С помощью рычажков балластного реостата уста-
новим выходное напряжение примерно равное 21В, что соответствует
напряжению дуги при токе 30 А. Контролируем по амперметру выход-
ной ток источника, который должен быть равен 30 А.
С помощью переменного р&-шстора R10 «Ток» установим максималь-
ный сварочный ток. С помощью рычажков балластного реостата уста-
новим выходное напряжение примерно равное 26 В, что соответствует
напряжению дуги при токе 160 А. Контролируем по амперметру выход-
ной ток источника, который должен быть равен 160 А.
D
Примечание.
Если диапазон регулировки сварочного тока не соответствует
желаемому, то его надо будет настроить при помощи подстро-
енного резистора R8.
Ток, потребляемый сварочным источником из сети при максималь-
ном выходном токе 160 А, составляет примерно 21—22 А.
Описание схемы приводится по [29,68].
Сварочный инвертор на одном транзисторе
Назначение. Инвертор предназначен для производства сварки по
технологии ММА (Manual Metal Arc (Welding) — ручная металлическая
дуговая сварка).
372 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Характеристики. Максимальный сварочный ток — 125 А. Имеется
возможность плавной регулировки тока в диапазоне от 5 до 125 А, что
позволяет использовать сварочные электроды диаметром 1,6—4 мм.
Особенности. В источнике применена специальная демпфирующая
цепочка — трансил. Ранее мы уже рассматривали однотранзисторный
прямоходовый преобразователь (рис. 10.15, а). Как уже говорилось,
основной проблемой этих преобразователей является индуктивность
рассеяния Ls между первичной обмоткой W1 и обмоткой размагни-
чивания W3. Накопленную в индуктивности Ls энергию не возможно
передать в нагрузку или вернуть в первичный источник питания Un.
Поэтому эту энергию обычно превращают в тепло при помощи спе-
циальной демпфирующей цепочки или трансила. Чтобы минимизи-
ровать потери при изготовлении трансформатора приходится обеспе-
чивать максимальную связь между обмотками W1 и W3.
Совет.
Связь между обмотками можно ^улучшить, используя кольце-
вой сердечник. При этом обмотки, между которыми необходимо
обеспечить хорошую связь, мотаются одна на другую и ближе к
сердечнику Хорошие результаты можно получить, если мотать
обмотки одновременно в два проводи.
Однако, не смотря на все старания, при повышении мощности пре-
образователя растут и потери. Не всегда помогает и намотка в два про-
вода. При такой намотке увеличивается опасность межобмоточного
пробоя, а также растет межобмоточная емкость.
Поэтому однотранзисторные прямоходовые преобразователи
(ОПП) с размагничивающей обмоткой получили лишь ограниченное
применение в источниках питания средней и малой мощности.
Снять указанные ограничения и расширить область применения
ОПП можно при помощи введения специального фиксирующего кон-
денсатора С1 (рис. 10.15, б). Во время прймого хода преобразователя
конденсатор С1 заряжается до напряжения обмотки W3 в полярности,
указанной на рис. 10.15, б.
Во время обратного хода, конденсатор С1 фиксирует потенциал
на первичной обмотке W1, подключаясь к ней при помощи диода VD1.
Обычно обмотки W1 и W3 имеют равное количество витков, но могут
иметь и разное.
Схема. Не смотря на меньшее, по сравнению с двухтранзисторным
источником, количество транзисторов и диодов, однотранзисторные
прямоходовые преобразователи с фиксирующим конденсатором до
последнего времени не нашли широкого применения в сварочных
инверторных источниках.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
373
+Un _Ls
W2 2IVD0 Ц=С\ Rh
б
Рис. 10.15. Способы фиксации напряжения на закрытом транзисторе
однотактного преобразователя:
а - при помощи размагничивающей обмотки;
б - при помощи фиксирующего конденсатора
Поэтому появление такого сварочного источника вызвало свое-
образный фурор в среде самодеятельных конструкторов сварочных
источников.
Примечание.
Разработал и сделал такой источник Черноусое Олег, имеющий
ник chernooleg на форуме Power Electronics (http://valvoLflyboard.ru/).
В данном разделе, с согласия автора, приводится принципиаль-
ная электрическая схема (рис. 10.16) и описание этого сварочного
источника, подготовленное В. Я. Володиным.
Источник подключается к сети переменного тока при помощи гиб-
кого шнура и вилки ХР1. Напряжение сети переменного тока, через
замкнутый автоматический выключатель SA1 подается на мостовой
выпрямитель VD13.
С выхода выпрямителя VD13 выпрямленное напряжение (через диод
VD12 и резистор R8) поступает на конденсатор С7 фильтра блока питания
цепей управления сварочного источника (далее просто блок питания).
Блок питания выполнен на базе трехвыводной микросхемы DA3
высоковольтного ШИМ-контроллера ТОР223 производства компании
Power Integrations. Эта микросхема содержит мощный высоковольтный
транзистор, а также все функциональные узлы, необходимые для соз-
дания однотактного обратноходового стабилизированного преобразо-
вателя.
Для создания законченного источника питания требуется мини-
мальное количество внешних навесных элементов. Одним из таких
элементов является трансформатор Т1.
2
VD6 HER302•
г
SK1
8О'С
-,-VD1
T7VD9
* Р6КЕ200
-jrVD10
HER106
DA3
ТОР223
CONTROL
]HZZb
R8 4,7
C7+
10мк=
x400B
R7
6,2
VD25
HER103
I
VD12
HER106
C6
47mk
x25B
C24_C
VD22
HFA16PB120
C24_L ^СГС25 .
4-7HTT^
VD20
VD21
П
о
ш
i
ь1
ш
SF1
х
ш
з:
I
i
со
2
I
о
3
XS2
Рис. 10.16. Принципиальная электрическая схема сварочного инвертора на одном транзисторе
376 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Постоянное напряжение с конденсатора фильтра С7, превращается
в переменное, при помощи внутреннего транзисторного ключа микро-
схемы DA3, и поступает на первичную обмотку трансформатора Т1.
Фиксирующая цепочка из трансила VD9 и диода VD10 ограничи-
вает величину напряжения, прикладываемого к транзисторному ключу
микросхемы DA3 в цикле обратного хода преобразователя. Переменное
напряжение на вторичных обмотках трансформатора выпрямляется
при помощи диодов VD6—VD8 и сглаживается при помощи конденса-
торов С2-С4.
Обмотки II, III и IV используются для формирования напряжения
12 В, 18Ви5В, соответственно. Групповая стабилизация выходных
напряжений блока питания осуществляется путем подачи напряжения
18 В, через RC фильтр R6C5 и стабилитрон VD11, на управляющий вход
DA3. При увеличении выходного напряжения, соответственно, растет
напряжение и на управляющем входе DA3. В результате время откры-
того состояния встроенного ключа мик^схемы DA3 уменьшается, что
приводит к уменьшению всех выходных напряжений блока питания.
Демпфирующая RC цепочка R7C6 улучшает устойчивость преобра-
зователя. Диод VD25 обеспечивает условия начального запуска блока
питания. Если в качестве VD11 используется двухсторонний стабили-
трон, то диод VD25 можно исключить.
Напряжения 18 В и 5 В, используются для питания цепей управления
источника, а также для формирования сигнала управления транзисто-
ром VT4 преобразователя. При этом цепи управления источника пита-
ются через RC фильтр R5C12C13 суммарным напряжение 18+5=23 В,
а сигнал управления транзистором VT4 имеет открывающий уровень
+18 В и закрывающий уровень -5 В. Напряжение +12 В необходимо для
питания вентиляторов Ml, М2 и катушки реле К1.
Работа схемы. Сразу после включения сварочного источника в сеть
сглаживающие конденсаторы С8, С9 фильтра преобразователя (через
резисторы R9—R11) плавно заряжаются выпрямленным напряжением
с выхода выпрямителя VD13.
Примечание.
Плавная зарядка позволяет исключить перегрузку сети и выпря-
мителя VD13 зарядным током конденсаторов фильтра.
После зарядки этих конденсаторов, резисторы R9—R11 шунтируются
контактом реле К1. Степень зарядки конденсаторов С8, С9 определяется
косвенно, исходя из времени зарядки примерно 5 с, которое измеряется при
помощи таймера, собранного на элементах DAI, VT1, VD3—VD5, Cl, R3, R4.
Напряжение питания микросхемы DA1 таймера понижается до 13 В
с помощью стабилитрона VD4, имеющего напряжение стабилизации
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 377
10 В. Сразу после включения конденсатор С1 заряжается, и поэтому на
ножках 2,6 (R) DA1 удерживается высокий уровень.
В этом случае на ножке 3 (OUT) DAI присутствует низкий уровень,
транзистор VT1 закрыт, а катушка реле К1 обесточена. Подключенный к
ножке 7 внутренний разрядный транзистор таймера DA1 открыт и шун-
тирует вывод СМР ШИМ контроллера DA2, блокируя его работу.
При этом на выводе OUT DA2 отсутствуют управляющие импульсы, и
транзистор VT4 закрыт. По мере заряда конденсатора С1 напряжение на
ножках 2,6 растет. Примерно через 5 с это напряжение превысит порог
срабатывания, и на выводе OUT DAI появится высокий уровень.
При этом транзистор VT1 откроется и запитает обмотку реле К1. Реле
сработает и своими контактами зашунтирует зарядные резисторы R9—
R11. Внутренний разрядный транзистор DA1 закроется и перестанет
шунтировать вывод СМР контроллера DA2, разрешая его работу.
После отключения источника конденсатор С1 разряжается через
диод VD3, быстро восстанавливая свое исходное состояние к моменту
следующего включения.
Блок управления. Основой блока управления сварочного источ-
ника является микросхема DA2 однотактного ШИМ контроллера типа
UC3844 (рис. 10.6).
Рабочая частота ШИМ сигнала определяется RC цепочкой R17C14 и
составляет 40 кГц. Напряжение на выводе СМР, а, следовательно, запол-
нение ШИМ сигнала, регулируется при помощи переменного резистора
R13 «Ток». Этот резистор Является частью регулируемого делителя
напряжения R12—R14, к котсЗ^рому прикладывается опорное напряже-
ние с вывода VRF микросхемы DA2.
Напряжение с движка резистора R13 поступает на вход инвертирую-
щего усилителя напряжения, построенного на резисторах R15, R16 и уси-
лителе ошибки микросхемы DA2, выход которого соединен с выводом
СМР (рис. 10.6). Так как усилитель инвертирующий, то максимальное
заполнение импульсов и максимальный сварочный ток 125 А соответ-
ствуют нижнему (по схеме) положению движка резистора R13. А мини-
мальный сварочный ток 5 А соответствует верхнему положению движка.
С вывода OUT микросхемы DA2 ШИМ сигнал поступает на транзи-
сторный драйвер VT2, VT3, который усиливает сигнал управления по
мощности. С выхода драйвера через затворный резистор R20, сигнал
управления попадает на затвор ключевого транзистора преобразова-
теля VT4.
Преобразователь, кроме транзистора VT4 и трансформатора ТЗ,
содержит фиксирующую цепочку, собранную на элементах VD20—VD22,
С24—С27, R22 и использующую обмотку III трансформатора ТЗ. Кроме
фиксирующей цепочки преобразователь содержит не диссипативную
378 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
(не рассеивающую) демпфирующую цепочку (НДДЦ), собранную на
элементах VD17-VD17, L1/C19-C22, R21.
Переменное напряжение с выхода преобразователя, через транс-
форматор тока Т2, поступает на первичную обмотку трансформатора
ТЗ. Трансформатор ТЗ уменьшает амплитуду высокочастотного напря-
жения до необходимой величины и осуществляет гальваническую раз-
вязку сварочной цепи от сети.
Переменное напряжение (с выхода трансформатора) выпрямляется
однополупериодным выпрямителем на диодах VD23, VD24 типа 15OEBUO2.
Пульсация выпрямленного тока сглаживаются с помощью дросселя L2,
после которого постоянный ток поступает в сварочную цепь.
Токовая обратная связь осуществляется при помощи трансформа-
тора тока Т2, который имеет асимметричную нагрузку. В цикле прямого
хода преобразователя трансформатор нагружен на низкоомное сопро-
тивление R19, а в цикле обратного хода на стабилитрон VD16, имеющий
напряжение стабилизации 8,2 В.
Так как в цикле прямого хода напряжение на резисторе R19 не пре-
вышает 1 В, то более высокое напряжение на стабилитроне VD16 явля-
ется гарантией того, что трансформатор тока будет полностью раз-
магничен во время обратного хода преобразователя. Сигнал токовой
обратной связи снимается с резистора R19 и через RC фильтр R18C15
подается на вывод ILM ШИМ контроллера.
Контроль температуры транзистора VT4 и диодов VD23, VD24 осу-
ществляется при помощи контактного термостата SK1, имеющего нор-
мально открытые контакты и фиксированную температуру срабатыва-
ния 80°С.
Термостат при помощи элементов VD1, VD2, Rl, R2 подключается к вре-
мязадающему конденсатору С1 таймера. Поэтому при замыкании контак-
тов термостата SK1 конденсатор С1 быстро разряжается по цепи Rl, SK1,
R2 и удерживается в разряженном состоянии до момента нормализации
температуры полупроводниковых элементов преобразователя. При этом
работа ШИМ-контроллера блокируется так, как это было описано ранее.
После нормализации температуры элементов преобразователя
контакты термостата размыкаются и, с задержкой 5 с работа ШИМ-
контроллера восстанавливается. Диоды VD1, VD2 выпрямляют сиг-
нал помехи в полярности, обеспечивающей зарядку конденсатора С1,
чем исключаются ложные срабатывания защиты. При необходимости
можно использовать несколько термостатов, включив их последова-
тельно. Это может понадобиться в случае, если транзистор VT4 и диоды
VD23, VD24 расположены на разных радиаторах.
Элементная база и аналоги. Все детали сварочного источника
делятся на те, которые покупаются готовыми в магазинах радиодеталей
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 379
и те, которые необходимо изготовить (например, различные моточные
узлы). Кроме электронных компонентов, указанных на схеме, можно
использовать компоненты других производителей, при условии, что
они будут иметь аналогичные или не худшие параметры.
Мощные транзисторы и диоды сварочного источника установлены на
двух алюминиевых радиаторах iglo 2420 с родными вентиляторами.
Примечание.
При отсутствии указанных радиаторов, можно использовать дру-
гие подходящие радиаторы, имеющие площадь охлаждения более
400 см2.
Конденсаторы С19-С21 типа К78-2 (WIMA FKP1) на напряжение
1600 В. Конденсаторы С24-С25 типа К78-2 (WIMA FKP1) на напря-
жение 1000 В. Конденсаторы С22 и С27 керамические на напряжение
1000 В.
В качестве С23 можно использовать конденсаторы Epcos B32653 —
B32654,WIMA МКР10 на напряжение 630 В. При необходимости можно
использовать конденсаторы типа К73-17 (или подобный), набрав требу-
емую емкость параллельным включением трех конденсаторов 0,22 мкФ
на 630 В.
Реле К1 типа NT90 RHA DC12V, NT90 RNA DC12V или JQX-54W А25
DC12V производства китайской компании Ningbo Forward Relay.
Моточные элементы. В данном случае это 3 трансформатора и 2
дросселя.
Трансформатор Т1 мотается на сердечнике Ш7><7 из феррита
М2000НМ. Обмотка I содержи/150 витков провода 00,2 мм. Обмотка II
содержит 15 витков провода 00,57 мм. Обмотка III содержит 22 витка, а
обмотка IV — 6 витков провода 00,2 мм.
Сердечник трансформатора должен иметь суммарный немагнит-
ный зазор 0,5 мм. Для этого в каждый стык сердечника необходимо
положить по немагнитную прокладку толщиной 0,25 мм.
Трансформатор тока Т2 мотается на кольцевом сердечнике
К32*16><8 из феррита 2000НМ1. Вторичная обмотка содержит 100 витков
эмалированного медного провода 00,3 мм. Роль первичной обмотки
выполняет провод, проходящий через отверстия кольца.
Трансформатор ТЗ мотается на сердечник 11120*28 из феррита
2500НМС1. Обмотка I содержит 28 витков литцендрата, состоящего из
17-и проволочек 00,45 мм. Обмотка II содержит 8 витков литцендрата,
состоящего из 48-и проволочек 00,45 мм. Сначала мотается половина
обмотки I, затем вся обмотка II, потом вторая половина обмотки П.
Далее мотается фиксирующая обмотка III, которая содержит 28 витков
литцендрата, состоящего из 2-х проволочек 00,6 мм.
380 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Примечание.
Каждый слой для фиксации желательно пропитать китайским
суперклеем. При этом общий расход клея составит 10-12 тюби-
ков. Для улучшения межобмоточной изоляции можно использовать
строительный (бумажный) скотч и прозрачную пленку для печати
на лазерных принтерах. Она достаточно термостойкая.
Сердечник трансформатора должен иметь суммарный немагнит-
ный зазор 0,2 мм. Для этого в каждый стык сердечника необходимо
положить немагнитную прокладку толщиной 0,1 (два слоя слюды, тол-
щиной 0,05 мм).
После сборки трансформатора необходимо проверить сопротивле-
ние изоляции между его обмотками при помощи обычного электротех-
нического мегомметра на 500 В. Сопротивление изоляции должно быть
не менее 50 МОм.
Дроссель L1 намотан на кольцевом сердечнике К28х16*9 из феррита
2000НМ с зазором 2 мм (1 + 1 мм) и содержит 18 витков. Для организации
зазора сердечник необходимо аккуратно разломить пополам, а затем скле-
ить суперклеем, вложив в стыки картонные вставки толщиной 1 мм.
Дроссель L2 можно выполнить на четырех сердечниках ПК20*16 из
феррита 25ООНМС1. Такие сердечники можно извлечь из старых строч-
ных трансформаторов ТВС-110ПЦ16. Сердечники складываются буквой
Н (рис. 10.9) и на них мотаются 14 витков литцендрата, состоящего из
85-и проволочек 00,45 мм.
Налаживание. После завершения сборки сварочного источника
необходимо предварительно проверить работоспособность схемы
управления источника с отключенной силовой частью. Для отклю-
чения силовой можно, например, разорвать провод идущий от силового
моста VD13 к контакту реле К1 и зарядным резисторам R9—R11.
Внимание.
Так как цепи схемы управления гальванически связаны с сетью,
то на этапе наладки (для избегания поражения электрическим
током) сварочный источник необходимо подключать к сети при
помощи разделительного трансформатора 220 В/220 В мощно-
стью 150-200 Вт (рис. 10.11).
Рассмотрим алгоритм настройки сварочного источника.
Шаг 1. Перед включением источника убедимся в том, что на выходе
разделительного трансформатора присутствует переменное напряже-
ние, находящееся в диапазоне от 200 до 240 В.
Шаг 2. Проверив напряжение, включаем автоматический выключатель
SF1. После чего должен заработать вентилятор и загореться индикатор
«Сеть», а затем с 5-ти секундной задержкой должно включиться реле К1.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 381
Шаг 3. С помощью тестера, убедимся в том, что на выходе блока
питания присутствуют напряжения 12 В, 23Ви5В.
Шаг 4. Убедимся в том, что на выводе 8 микросхемы DA2 присут-
ствует опорное напряжение величиной +5 В.
Шаг 5. Проверим работу усилителя ошибки микросхемы DA2. Для
этого вращаем движок переменного резистора R13 «Ток» из одного
крайнего положения в другое и одновременно контролируем напря-
жение на выводе СМР микросхемы DA2. Напряжение на этом выводе
равно примерно 1,8 В для минимального сварочного тока и 4,1 В — для
максимального.
Шаг 6. Вооружившись осциллографом, убедимся в наличие пилоо-
бразного напряжения амплитудой 3 В и частотой 80 кГц на выводе RC
микросхемы DA2. При этом на выводе OUT должны присутствовать пря-
моугольные импульсы амплитудой 23 В и частотой 40 кГц.
Шаг 7. Убедимся в том, что аналогичные импульсы управления при-
сутствуют на выходе транзисторного драйвера VT2, VT3, а также на
затворе транзистора VT4.
Примечание.
После проверки работоспособности схемы управления можно
перейти к проверке совместного функционирования схемы управ-
ления и преобразователя сварочного источника. Для этого реко-
мендуется следующая последовательность действий (шаги 8-11).
Шаг 8. Внимательно осматриваем схему преобразователя на пред-
мет наличия различного мусора и обрезков проводов, которые по
невнимательности могут быть оставлены после окончания монтажа.
Внимательно осмотреть трансформаторы Т2 и ТЗ и убедится в пра-
вильности фазировки их обмоток. Начала обмоток на принципиальной
электрической схеме указаны точкой.
Шаг 9. Подключить контакт реле К1 и зарядные резисторы R9—R11 к
мосту VD13, согласно принципиальной электрической схемы (рис. 10.16).
Разорвать провод, идущий от конденсаторов С8, С9 к преобразователю и
врезать туда обыкновенную лампочку накаливания 220 В, 100—150 Вт.
Внимание.
В случае каких-то неисправностей преобразователя эта лампочка
ограничит потребляемый ток на безопасном уровне и поможет
избежать выгорания дорогих полупроводниковых приборов.
Если после включения источника лампочка горит в полный накал, то
что-то не в порядке. Необходимо убедиться в исправности полупрово-
дниковых приборов, а также повторить осмотры и проверки с самого
начала, но с большим пристрастием.
382
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Если же лампочка горитше в полный накал, то это является хорошим
признаком. Обычно на лампочке падает около 70 В.
Шаг 10. Исключить лампочку и восстановить штатные цепи питания.
Шаг 11. Включить сварочный источник без нагрузки, используя раз-
делительный трансформатор (рис. 10.11). Убедиться в том, что в режиме
холостого хода осциллограммы в характерных точках схемы преобразо-
вателя соответствуют осциллограммам, изображенным на рис. 10.17.
Напряжение на затворе VT3 будет соответствовать картине полно-
стью нагруженного источника (рис. 10.17, г) с той лишь разницей, что
заполнение импульсов будет близким к 50 %.
После того, как мы убедились в работоспособности всех узлов сва-
рочного источника, можно приступать к его окончательной проверке.
pi
200В
yWmc
1
200B
г
г10мкс
1
/
/
6
0f2B' 10MKC
/
JOmkc
Рис. 10.17. Осциллограммы в характерных точках схемы сварочного источника:
а - напряжение на коллекторе VT4 в режиме холостого хода; б - напряжение на выводе ILM DA2 в
режиме холостого хода; в - напряжение на коллекторе VT4 при максимальном сварочном токе 125 А;
г - напряжение на выводе ILM DA2 при максимальном сварочном токе 125 А; д - напряжение между
затвором и эмиттером транзистора VT4 при максимальном сварочном токе 125 А; е - напряжение на
катоде VD24 при максимальном сварочном токе 125 А.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 383
Для этого отключаем маломощный разделительный трансформатор и
подключаем сварочный источник непосредственно в сеть.
Чтобы убедиться в том, что сварочный источник соответствует ожи-
даемому результату, необходимо произвести его измерение при работе
на нагрузку. Обычно при испытаниях в качестве такой нагрузки исполь-
зуют сварочный балластный реостат типа РБ-315 (рис. 10.13) или
подобный.
Для производства испытаний необходимо собрать соответствующую
схему (рис. 10.14).
Перед включением сварочного источника все рычажки балластного
реостата необходимо перевести в нижнее положение, чтобы обеспечить
режим холостого хода. После включения сварочного источника необхо-
димо убедиться, что на его выходных клеммах присутствует напряже-
ние холостого хода U=45 В.
С помощью переменного резистора R13 «Ток» установим максималь-
ный сварочный ток. С помощью рычажков балластного реостата уста-
новим выходное напряжение, примерно равное 25 В. Это соответствует
напряжению дуги при токе 125А.
Контролируем по амперметру выходной ток источника, который
должен быть равен 125 А.
Примечание.
Ток, потребляемый сварочным источником из сети при максималь-
ном выходном токе 125 А, составляет примерно 14-15 А.
При необходимости диапазон регулировки сварочного тока можно
изменить при помощи подбора величин резисторов R12 и R14.
Описание схемы приводится по [29,68].
Сварочный источник Большакова
Назначение. Источник предназначен для проведения сварки по
технологии ММА (Manual Metal Arc (Welding) — ручная металлическая
дуговая сварка).
Характеристики. Источник обеспечивает максимальный свароч-
ный ток 140 А. Предусмотрена плавная регулировка сварочного тока в
диапазоне 10—140 А.
Особенности. Все ранее рассмотренные нами инверторные сва-
рочные источники были построены на различных версиях одно-
тактного прямоходового преобразователя. Однако двухтактные пре-
образователи позволяют получить большую выходную мощность и
эффективность, при одинаковой мощности дискретных ключевых
компонентов. Последнее обстоятельство особенно важно для люби-
dc15B
TR1
R28 1
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
385
I
I
I
со
СО П О
386 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
телей, которые зачастую ограничены возможностями доступной эле-
ментной базы.
В этом плане представляет интерес инверторный сварочный источ-
ник, разработанный Большаковым Александром. Этот источник
построен на основе двухтактного мостового преобразователя.
Сварочный источник Большакова многократно повторялся само-
делыциками. Особенно удачным в этом источнике получился транс-
форматорный драйвер, который частенько используют в своих кон-
струкциях другие конструкторы-любители.
Схема. Принципиальная электрическая схема сварочного источника
представлена на рис. 10.18.
Сварочный источник рассчитан на питание от однофазной сети
переменного тока напряжением 220 В 50 Гц. Сетевое напряжение через
контакты автоматического выключателя QF1 и зарядную RC цепочку
R45,C38—C40 поступает на мостовый выпрямитель Вг2 типа КВРС3504.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного, поступающего с выпря-
мителя Вг2, используется батарея электролитических конденсаторов
большой емкости С32—С36. Зарядная UC-цепочка ограничивает заряд-
ный ток конденсаторной батареи и этим предотвращает перегрузку
выпрямителя Вг2 и питающей сети сразу после включения сварочного
источника.
Через предохранитель FU1 и терморезистор NTC1, имеющий отрица-
тельный ТКС, сетевое напряжение поступает на маломощный выпрями-
тель Brl. Выпрямленное напряжение с выхода этого выпрямителя сгла-
живается при помощи конденсатора С17 и поступает на однотактный
преобразователь, собранный на микросхеме ШИМ-контроллера TOP224Y.
Этот преобразователь формирует стабильное напряжение 15 В,
используемое для питания цепей управления сварочного источника.
Преобразователь собран по стандартной схеме, рекомендованной для
микросхемы TOP224Y.
Двухтактный мостовой преобразователь сварочного источника
собран на высоковольтных MOSFET транзисторах VT7—VT9. Выходное
напряжение преобразователя, через нелинейный дроссель L1 и обмотку
I трансформатора тока TR3 поступает на обмотку I силового понижаю-
щего трансформатора TR4.
Пониженное напряжение на вторичной обмотке этого трансформа-
тора выпрямляется при помощи диодов VD20, VD21, VD28. Далее через
дроссель DR1 оно поступает на выход сварочного источника. Дроссель
DR1 сглаживает пульсацию выходного тока сварочного источника.
Для контроля работы преобразователя силовой трансформатор TR4
имеет специальную дополнительную обмотку III. После запуска пре-
образователя на этой обмотке появляется переменное напряжение.
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 387
Оно понижается при помощи понижающего автотрансформатора TR5.
Затем выпрямляется при помощи выпрямителя D29—D32 и поступает
на узел задержки включения реле. Узел задержки построен на элемен-
тах Т13, D33, С37, С41, R43, R44 и служит для включения реле Rell.
Реле включается и своими контактами шунтирует зарядную
RC-цепочку. После этого сварочный источник непосредственно под-
ключен к сети и готов к работе. Готовность сварочного источника инди-
цируется при помощи светодиода LED1 «READY», который через рези-
стор R46 и стабилитрон D34 подключен параллельно обмотке реле Rell.
Нелинейный дроссель L1 позволяет снизить потери коммутации на
транзисторах преобразователя.
Примечание.
Цепочки R29C22, R36C26 и R41C28 служат для подавления высо-
кочастотных пульсаций на выходе преобразователя и на диодах
выпрямителя.
Транзисторы преобразователя управляются при помощи трансформатор-
ного драйвера. Драйверные цепи управления аналогичны для всех тран-
зисторов. Чтобы понять их принцип работы, достаточно рассмотреть цепи
управления любого из четырех транзисторов, например, транзистора Т7.
Для управления этим транзистором используется одна из вторичных
обмоток трансформатора гальванической развязки (ТГР) TR2 и драй-
верный узел, собранный на элементах Т5, D10, D12—D14, С18, С20, R19,
R21,R23-R25.
Транзистор Т7 открыт в мрмент, когда напряжение на вторичной
обмотке ТГР положительное. bWom случае положительное напряжение
через диоды D10, D12 и резисторы R23, R24 поступает на затвор транзи-
стора Т7 и открывает его.
Кроме этого, по цепи R21, D13, R25 происходит зарядка конденсатора
С18 до напряжения 5 В.
D
Примечание.
Это напряжение ограничивается стабилитроном D14 и впослед-
ствии используется для запирания транзистора TZ
После того, как напряжение на вторичной обмотке снизится до нуля
или станет отрицательным, входная емкость транзистора Т7 быстро
разряжается при помощи транзистора Т5. После этого к затвору тран-
зистора Т7 прикладывается отрицательное запирающее напряжение по
цепи R19, переход б-э транзистора Т5, резистор R23.
Благодаря этому предотвращается возможность самопроизвольного
открытия транзистора, в условиях быстро нарастающего выходного
напряжения.
388 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Блок управления сварочного источника собран на микросхеме ШИМ-
контроллера типа UC3825N (DD2). Рабочая частота ШИМ сигнала задана
при помощи элементов R3C3 и равна 50 кГц. В данном случае микро-
схема UC3825N используется в токовом режиме (Current Mode). В этом
режиме на вход Ramp (7-я ножка) подается напряжение, пропорцио-
нальное току нагрузки. Это напряжение при помощи внутреннего ком-
паратора микросхемы DD2 сравнивается с напряжением задания, сни-
маемого с движка потенциометра PI «Current Adj», который служит для
плавной установки сварочного тока.
Как только выходной ток превысит заданный уровень, на выходах
OutA и OutB (11-я и 14-я ножки) микросхемы DD2 устанавливается низ-
кий уровень, который сохраняет свое состояние до начала следующего
периода ШИМ. В начале каждого периода ШИМ поочередно на одном из
выходов OutA и OutB устанавливается высокий управляющий уровень.
Напряжение, пропорциональное току нагрузки, создается при
помощи узла токовой обратной связи, состоящего из трансформатора
тока TR3, первичная обмотка I которого включена последовательно с
обмоткой I силового трансформатора TR4.
Ток вторичных обмоток На и Пб трансформатора тока выпрямляется
при помощи диодов D8, D9 и преобразуется в напряжение при помощи
шунта R18. Напряжение токовой обратной связи через фильтр низкой
частоты R6, С7 подается на вход Ramp (7-я ножка) DD2.
Кроме этого, напряжение токовой обратной связи через делитель
напряжения/фильтр низкой частоты R8, R5, С6 подается на вход Him
(9-я ножка) быстродействующей токовой защиты.
Токовая защита имеет порог срабатывания, эквивалентный выход-
ному току 250 А. Схема служит для защиты инвертора при аварии сило-
вого трансформатора TR4 или выпрямителя D20, D21, D28.
После каждого срабатывания токовой защиты осуществляется мягкий
старт (Soft Start) ШИМ-контроллера. Длительность мягкого старта опре-
деляется емкостью конденсатора С4 и в данном случае составляет 25 мс.
Собственные драйверы микросхемы имеют мощность, не доста-
точную для раскачки транзисторов преобразователя. Поэтому для уси-
ления по мощности выходного сигнала ШИМ используются дополни-
тельный усилитель мощности, собранный на элементах Т1—Т4, D4—D7,
С14, С16, R9, RIO, R13—R16. Выход усилителя мощности через конден-
сатор С15 подключен к обмотке I трансформатора гальванической раз-
вязки TR2.
в
Примечание.
Блок управления сварочного источника не предусматривает токовой
защиты. Однако эту защиту можно легко организовать при помощи
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 389
термостата, имеющего нормально разомкнутый контакт и темпе-
ратуру срабатывания 75-80Х.
Термостат и последовательно включенный с ним резистор 1 кОм
подключают между выводами Vref (16-я ножка) и Him (9-я ножка)
микросхемы DD2. Сам термостат располагается в непосредственной
близости возле одного из транзисторов Т7—Т10 двухтактного мостового
преобразователя.
Элементная база и аналоги* В сварочном источнике можно исполь-
зовать транзисторы и диоды, указанные на принципиальной электри-
ческой схеме или имеющие не худшие параметры по сравнению с ука-
занными.
При отсутствии микросхемы UC3825, можно использовать ее отече-
ственные аналоги 1156ЕУ2, К1156ЕУ2, КР1156ЕУ2 или зарубежные ана-
логи - UC1825, UC2825,SG3825 и т. п.
Чтобы частота ШИМ сигнала не зависела от температуры, частотоза-
дающий конденсатор СЗ должен быть пленочным.
В качестве конденсаторов С29—С31 можно использовать отечествен-
ные конденсаторы К73-26 или К73-50 емкостью 1,5 мкФ, рассчитанные
на напряжение 630 В.
в
Примечание.
Имеется информация, что на эту роль хорошо подходят безымян-
ные китайские окукленные конденсаторы 1,5 мкФ * 630 В.
Шунт R18 можно изготовить из трех резисторов МЛТ-0,25 10 Ом и
одного резистора МЛТ-0,25 30 Ом, включенных параллельно.
Реле Rell должно иметь нормально разомкнутые контакты, способ-
ные коммутировать ток 25—30 А, и обмотку, рассчитанную на постоян-
ное напряжение 12 В. В качестве этого реле можно использовать реле
NT90 RHA DC12V, NT90 RNA DC12V или JQX-54W А25 DC12V производ-
ства китайской компании Ningbo Forward Relay.
В оригинальной конструкции для охлаждения транзисторов и дио-
дов использовались радиаторы от процессоров P-IV. Всего потребуется
два таких радиатора. Один радиатор распиливается на три части (поло-
винка и вторая половинка пополам) и на нем устанавливаются транзи-
сторы Т7-Т10 мостового преобразователя.
Другой радиатор используется целиком и на нем устанавливаются
диоды D20, D21, D28 выпрямителя.
Моточные элементы. В данном случае трансформаторы, авто-
трансформатор и дроссели.
Трансформатор TR1 мотается на сердечник EI конфигурации
(20 мм). Такой сердечник используется в дежурном источнике питания
390 Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
компьютерного БП. В сердечнике уже имеется необходимый немагнит-
ный зазор. При отсутствии указанного сердечника, можно применить
кольцевой порошковый сердечник К23* 14*10 из материала МП140.
Обмотка I содержит 80 витков провода 0 0,33 мм.
Обмотка II содержит 12 витков провода 0 0,33 мм.
Обмотка III содержит 12 витков провода 0 0,6 мм.
Трансформатор гальванической развязки TR2 мотается на кольце-
вом сердечнике К32х16*12 из феррита 2000НМ.
Обмотка I содержит 15 витков.
Обмотка II содержит 18 витков.
Обмотка III содержит 18 витков.
Обмотка IV содержит 18 витков.
Обмотка V содержит 18 витков.
Все обмотки трансформатора TR2 мотаются одновременно в 5 про-
водов. Провода взяты от сетевого провода UTP (провод для компьютер-
ных сетей — витая пара).
Трансформатор тока TR3 мотается на кольцевом сердечнике
К2О*1Ох5 из феррита 2000НМ.
Обмотки На и Нб мотаются одновременно (в два провода) и содержат
по 50 витков провода 0 0,25 мм.
Роль обмотки I выполняет вывод первичной обмотки силового
трансформатора TR4, продетый сквозь окно сердечника.
Силовой трансформатор TR4 мотается
на сердечник, собранный из 26 кольцевых
сердечников К32*12х8 из феррита 2000НМ.
Из этих сердечников формируются 2 трубы по
13 колец. Трубы укладываются рядом таким
образом, чтобы из них получилось подобие
Рис 1019 Сердечник Ш-образного сердечника (рис. 10.19).
силового трансформатора Обмотка I содержит 6 витков провода ПЩ
4 мм в пропитанном силиконом стеклоткане-
вом кембрике.
Обмотки Па и Пб содержат по 1 витку из 2 проводов ПЩ 4 мм в про-
питанном силиконом стеклотканевом кембрике.
Обмотка III содержит 1 виток монтажного провода, сечением 0,15—
0,5 мм.
Примечание.
Необходимо обеспечить хорошую магнитную связь между обмот-
ками I, На и Нб.
Для этого сначала мотается 3 витка обмотки I, затем в 1 слой уклады-
вается 4 провода обмотки II, а затем еще 3 витка обмотки I. Каждые два
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока
391
провода обмотки II соединяются параллельно. При этом провода должны
обязательно чередоваться в слое. Например, 1-й и 3-й провод образуют
обмотку Иа, а 2-й и 4-й провод обмотку Нб. Такое распределение прово-
дов обеспечивает необходимую симметрию вторичной обмотки.
Автотрансформатор TR5 мотается на кольцевом сердечнике
К2Ох1Ох5 из феррита 2000НМ.
Рис. 10.20. Печатная плата блока управления (вид со стороны компонентов)
392
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
Обмотка I содержит 60 витков провода 0 0,33 мм.
Обмотка II содержит 30 витков провода 0 0,33 мм.
Обмотки мотаются в 3 провода (30 витков), затем провода включа-
ются последовательно и из них формируется обмотка 30+30+30 витков.
На узел задержки включения реле подается треть напряжения.
Сердечник дросселя DR1 набирается из двух сердечников от строч-
ных трансформаторов для черно-белых телевизоров, половинки скла-
дываются в виде буквы Н.
Обмотка содержит 15 витков медной ленты 0,3><40 мм и мотается на
горизонтальную часть буквы Н. Изоляция ленты выполнена из бумаж-
ного скотча.
Сердечник нелинейного дросселя L1 набирается из 10—15 кольце-
вых сердечников К7хЗ><2 из феррита 2000 НМ. Обмотка дросселя пред-
ставляет собой провод, продетый сквозь колечки. При работе сердеч-
ники греются, но не сильно.
Внимание.
Все острые грани ферритовых сердечников нужно предвари-
тельно обработать шкуркой.
Печатная плата. На рис. 10.20 изображена топология печатной
платы блока управления. Плата выполнена из стеклотекстолита толщи-
ной 1,5 мм и односторонней металлизацией. Размеры платы 145х95 мм.
Блок драйверов выделен на отдельную плату. Топология печатной
платы изображена на рис. 10.21. Эта плата также выполнена из стекло-
Рис. 10.21. Печатная плата блока драйверов (вид со стороны компонентов)
Глава 10. Схемотехника инверторных источников сварочного тока 393
текстолита толщиной 1,5 мм и односторонней металлизацией. Размеры
платы 90x70 мм.
Налаживание.
Шаг 1. Отключить автоматический выключатель QF1 и извлечь пре-
дохранитель FU2. ,
Шаг 2. Подключить сварочный источник к сети через разделитель-
ный трансформатор 220/220 В мощностью 100—200 Вт.
Шаг 3. Убедиться в том, что частота выходного сигнала на обмотке I
ТГР TR2 равна 50 кГц. Частрту можно оценить при помощи осциллографа.
Шаг 4. Посмотреть форму сигнала на затворах мощных транзисто-
ров Т7—Т10. Там должно присутствовать прямоугольные импульсы
напряжения с крайними значениями -5 В и +13 В. Длительность фронта
импульса 200—300 не, длительность спада 80—130 не.
Шаг 5. Подключив осциллограф к любой обмотке ТГР TR2, убедиться
в наличии мертвого времени между сменами полярности управля-
ющего сигнала. Длительность мертвого времени должна составлять
2-2,5 мкс.
Шаг 6. Вместо предохранителя FU2 подключить лампочку накали-
вания 60 Вт. Сварочный источник подключить непосредственно к сети
и включить автоматический выключатель QF1. При этом на холостом
ходу источника лампочка не должна светиться. Убедиться в том, что на
конденсаторах С32—С36 присутствует постоянное напряжение 300 В.
Шаг 7. Отключить сварочный источник от сети и вместо предохра-
нителя FU2 подключить кипятильник или чайник мощностью 2—3 кВт.
Установить потенциометр Р1 регулировки сварочного тока на 1/3 от
нижнего по схеме вывода. При помощи автоматического выключа-
теля QF1 включить сварочный источник. Попробовать зажечь дугу при
помощи графитового стержня. При этом ширина импульсов на обмотке
III трансформатора TR4 должна меняться в зависимости от длины дуги.
Если при этом реле Rell сразу отлипнет, значит, не работает узел токо-
вой обратной связи. Обычно имеет место, если неверно намотан или
распаян трансформатор тока TR3.
Шаг 8. Если все хорошо, то можно вставлять на место предохрани-
тель FU2 и пробовать варить.
Описание схемы приводится по [29,68].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ
1. Fisher D. Funkamateur. - 1999. - № 6.
2. Funkshau. - 1973. - № 4, Бес-
трансформаторный преобразователь
напряжения. // Радио. —1974. — № 4. — С. 63.
3. Hawker P. Technical Topics. // Radio
Communication. — 1997.— Februar — p. 78.
4. Hobby Elektronika. - 1997. - № 7.
5. Horinek. P. // Prakticka elektronika A
Radio. 2003.-№9.
6. Industry Standard Analog 1С Databook,
SGS-Thomson Microelectronics. — 1989. -
p. 346.
7. Linear Applications Handbook, National
Semiconductor. — 1986. — p. 456.
8. Ravetti R. Radiotechica. - 1990. - № 2,
Радиолюбитель. - № 9. - 1993. — С. 36.
9. Siemens Components 1/ 83. //
Funkshau. - 1983. - №6. - p. 248.
10. www.shems.hl.ru
И. Александров К Инвертор полярности
напряжения.//Радио.-1993.-№ 11.-С.39.
12. Александров И. Стабилизатор напря-
жения.//Радио. - 1988. - № 2. - С. 61.
13. Алексеев R Стабилизатор напря-
жения с логическими элементами. //
Радио. - 1983. - № 12. - С. 37.
14. Алексеев С. Симметричный динистор
в бестрансформаторном блоке питания. //
Радио.-1998.-№10.
15. Андрушкевич С. Источник питания
для электрофицированных игрушек. //
Радио.- 1988.-№ 7.-С.41.
16. Ахтямов Ю. Стабилизатор напряже-
ния с защитой от КЗ. // Радио. — 1974. —
№ 4. - С. 46.
17. Барабошкин Д. Экономичный
импульсный источник питания. //
Радио. - 1985. - № 6. - С. 51,52, Радио. -
1990.- №2. -С. 55.
18. Бегунов В. Экономичный стабилиза-
тор. // Радио. - 1980. - № 8. - С. 46.
19. БезикД. Резервный источник пита-
ния. // Радио. - 2000. - № 2. - С. 38.
20. Бестрансформаторное электропита-
ние. Конденсатор вместо резистора. URL:
http://www.meanders.ru/C_vmesto_R.shtml
(дата обращения 10.10.2016).
21. Бирюков С. Источник питания «Радио-
86РК». // Радио. - 1990. - № 7. - С. 58.
22. Борисов В. Простой БП 0-12 В. //
Радио. - 1976. - № 6. - С. 49.
23. Борисов В. Частотомер с цифровой инди-
кацией.//Радио.-1985.-№ 11.-С.51.
24. Борисов В. Кружок радиотех-
нического конструирования. — М.:
Просвещение, 1990. - 224 с.
25. Будяков В. Стабилизатор напряже-
ния на ОУ +27 В; 0,2 А. // Радио. — 1976. —
№6.-С44.
26. Вилкинсон Дж. Преобразователь
напряжения 9 В — 400 В. // Electronics and
Beyond. April 1997. p. 26.
27. Вилков В. Зажигалка для газа. //
Радиолюбитель. — 1993. — № 1.
28. Володин В. Инверторный источник
сварочного тока COLT-1300. //Радио. —
2007.-№4.-С. 37-40.
29. Володин В. Современные сварочные
аппараты своими руками. — СПб.: Наука и
Техника, 2008. — 240 с.
30. Вотинцев Я. Преобразователь напря-
жения с ШИ стабилизацией. // Радио. —
1985. - № 10. - С. 27.
31. Выпрямители: Расчет параметров
трансфррматора и режимов его работы.
URL: http://www.clubl55.ru/circuits-diod-
rectifier-transformator (дата обращения
10.10.2016).
32. Гайно Е., Москатов Е. Радио-
любительские расчеты на компьютере //
Радио. - 2005. - № 6. - С. 55,56.
33. Гайно Е., Москатов Е. Радио-
любительские расчеты на компьютере //
Радио. - 2005. - № 7. - С. 55,56.
34. Гвоздицкий. Источник питания повы-
шенной мощности. // Радио. — 1992. —
№4.-С. 43.
35. Голубев О. Источник резервного
питания для АОН. // Радио. — 1995. —
№6. -С. 38.
36. Горецки Я. Стабилизатор напряже-
ния. Elektronika dla Wszystkich. 2001. -
№9.-С. 49,52.
37. Горский А., Русин Ю., Иванов Я.,
Сергеева Л. Расчет электромагнитных
элементов источников вторичного элек-
тропитания. — М.: Радио и связь, 1988. —
176 с.
38. Горшенин С. Импульсный источник
питания с полумостовым преобразова-
телем. — Russian Hamradio Site, www.qrx.
narod.ru
39. Григорьев А. Источник питания 1—29
В; 2А. // Радио. - 1984. - № 3. - С. 37.
40. Гусев Ю. Транзисторный фильтр в
телевизоре. // Радио. —1987. - № 9. — С. 30.
Список литературы и Интернет-ресурсов
395
41. ДнищенкоВ. Преобразователь напря-
жения для радиоуправляемой модели. //
Радио.- 2003. - № Щ *- С. 29.
42. Дыцков М. Простой импульсный
источник питания. // Радио. — № 5.
2003.-С. 30.
43. Евсеев А. Регулируемый стабилиза-
тор тока. // Радио. - 1987. - № 8. - С. 56.
44. Жаронкин А. Источник питания для
УМЗЧ. // Радио. - 1988. - № 5. - С. 61.
45. Жирло Я. Расчет диаметра провода
для плавких вставок предохранителей //
Радиолюбитель. - 1999. - № 42. - С. 37.
46. Жучков В. Расчет трансформатора
импульсного блока питания // Радио. —
1987.-№11.-С. 43.
47. Жучков В., Зубов О., Радушный К Блок
питания УМЗЧ // Радио. - 1987. - № 1. -
С. 35-37.
48. Жучков В., Зубов О., Радушный И.
Импульсный источник питания УМЗЧ. //
Радио. - 1987. - № 1. - С. 36.
49. Зайцев В. Низковольтный преобразова-
тель напряжения /Радио. 2000.—№ 8.—С. 43.
50. Захаров А. Двухтактные импульсные
преобразователи. // Радиолюбитель. —
2001.-№4.-С. 22.
51. Источник питания наТВК-ИОЛМ,
0-25 В; 1 А.//Радио. -1991. -№ 12. - С. 74.
52. Источник питания с плавным измене-
нием полярности. // Радиоконструктор. —
2000.-№ 1.-АС. 25.
53. Источники электропитания на
полупроводниковых приборах^Проекти-
рование и расчет / под ред. С. ДУДодика и
Е. И. Гальперина. — М.: Советское радио,
1969.-448 с.
54. Источники электропитания радио-
электронной аппаратуры: Справочник /Г.
С. Найвельт, К. Б. Мозель, Ч. И. Хусаинов и
др.; под ред. Г. С. Найвельта. — М.: Радио и
связь, 1986. — 576 с.
55. Каган А. Релейный стабилизатор
напряжения.//Радио. -1991. - № 8. - С. 34.
56. Казаков Н., Пешров А. Конденса-
торный преобразователь напряжения
с умножением тока. // Радио. — 1999. —
№1.-С42.
57. Калюжный А., Лахно В. Регулируемый
преобразователь напряжения. // Радио. —
1978.-№8.-С. 59.
58. Каныгин С, Янушенко Е. Микросхема
КР142ЕН19. // Радио. -1994. - № 4. - С. 45.
59. Карлащук В., Карлащук С. Преоб-
разователь напряжения для электробритвы.
// Радио. -1989. - № 11. - С. 69.
60. Козлов В. Стабилизатор напряжения
с защитой от КЗ и перегрузок по току. //
Радио. - 1998. -№ 5. - С. 52.
61. Колганов А. Мощный импульсный
источник питания 50 В, 10 А. // Радио. —
2000.-№2.
62. Коломойцев К. О расчете емкости
гасящего конденсатора для паяльника //
Электрик. - 2002. - № 9. - С. 12.
63. Коломойцев К. Расчет емкости
гасящего конденсатора для паяльника.
URL: http://radiopolyus.ru/radiolicbez/39-
radiokonstruktoru/290-raschet-emkosti-
gasyashhego-kondensatora-dlya-payalnika
(дата обращения 10.10.2016).
64. Компенсационный стабилиза-
тор напряжения. Расчет стабилизатора
напряжения. URL: http://www.meanders.
ru/stabilizator2.shtml (дата обращения
10.10.2016).
65. Кондратьев Ю* Стабилизатор напря-
жения с высоким КПД. // Радио. — 1982. —
№4.-С. 25.
66. Коновалов Е. Квазирезонансный пре-
образователь. // Радио. — 1996. — № 2. —
С. 53.
67. Короткое И. Стабилизатор тока на
150 А. // Радио. - 2002. - № 10. - С. 33.
68. Корякин-Черняк С. Партала О.
Справочник электрика для профи и не
только... Изд. 2-е, перераб. и доп. — СПб.:
Наука и Техника, 2010. — 600 с.
69. Корякин-Черняк С. Справочник
домашнего электрика, изд. 7-е, перераб. и
доп. - СПб.: Наука и Техника, 2008. - 400 с.
70. Корякин-Черняк С. Справочник свар-
щика. — СПб.: Наука и Техника, 2008. -
400 с.
71. Косенко С. Расчет импульсного транс-
форматора двухтактного преобразователя
// Радио. - 2005. - № 4. - С. 35-37,44.
72. Линде Д. П. и др. Справочник по ради-
оэлектронным устройствам / под ред. А. А.
Куликовского. Т. 2. — М.: Энергия, 1978. —
372 с.
7Ъ.ЛитвинМ.0, ЧиркинВ. БП для мини-АТС
+60В;0,1А.//Радио.-1988.-№6.-С41.
74. Локсеее О. Преобразователь 12
В — 220 В на полевых транзисторах. //
Радиолюбитель. — 2000. — № 7. — С. 14,15.
75. Малинин Р. М. Справочник радио-
любителя-конструктора. — М.: Энергия,
1973.-409 с.
76. Матвеев Г. А., Хомич В. И. Катушки
с ферритовыми сердечниками. Изд. 2-е,
дополненное. — М.: Энергия, 1967. — 64 с.
77. Машкинов Л. Выпрямитель с малым
уровнем пульсаций. // Радио. — 2003. —
№12.-С. 40.
78. Машкинов Л. Выпрямитель с малым
уровнем пульсаций. // Радио. — 2003. —
№12.-С. 40.
396
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
79. Межлумян А. Стабилизатор напря-
жения к автомобильному аккумулятору. //
Радио. - 1985. - № 1. - С. 55.
80. Миронов А. Импульсный стабили-
затор напряжения 5 В; 2 А. // Радио. —
1987.-№4.-С. 35.
81. Миронов А. Импульсный стабилиза-
тор напряжения с повышенным КПД. //
Радио. - 2000. - № 11. - С. 44.
82. Миронов А. Простой ключевой стаби-
лизатор напряжения 5 В; 4 А. // Радио. —
1985.-№8.-С. 43.
83. Миронов А. Релейный стабилизатор
напряжения. // В помощь радиолюби-
телю. - № 97. ДОСААФ СССР. -1987. - С. 69.
84. Миронов А. Сетевой источник пита-
ния с высокими удельными параметрами.
// Радио. - 2002. - № 12. - С. 23.
85. Москатов Е. Теория расчетов
импульсных трансформаторов двухтакт-
ных ИИП и ее подтверждение практи-
кой. URL: http://vicgain.sdot.ni/ProCTams/
Calculation pulsed transformer.pdf (дата
обращения "10.10.2016).
86. Москвин А. Компромиссный
импульсный стабилизатор. // Радио. —
2003.-№7.-С. 27.
87. Мощный преобразователь напряже-
ния. // Радио. - 1998. - № 10. - С. 79.
88. Немцов М. Справочник по расчету
параметров катушек индуктивности. —
2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1989. —
192 с.
89. Несложный преобразователь 12 В —
220 В. // Электрик. - 2000. - № 9.
90. Нечаев И. Комбинированный лабора-
торный источник питания 4—15 В; 1,5 А.//
Радио. - 1991. - № 6. - С. 62.
91. Нечаев И. Мощный малогабаритный
преобразователь напряжения. // Радио. —
2003.-№2.
92. Нечаев И. Преобразователь напря-
жения для автомобиля. // Радио. — 1992. —
№4.-С. 45.
93. Нечаев Я. Сверхэкономичный ста-
билизатор напряжения 9 В; 50 мА. //
Радио. - 1984. - № 12. - С. 53.
94. Нечаев И. Стабилизатор напряже-
ния на мощном полевом транзисторе. //
Радио. - 2003. -№ 8. - С. 53.
95. Николайчук О. Простой импульс-
ный источник питания на ИМС. //
Схемотехника. - 2001. - № 7. - С. 8.
96. Онышко А., Кичатов В. Обратимый
преобразователь напряжения. Russian
Hamradio (www. qzx.narod.ru).
97. Першин В. Расчет сетевого транс-
форматора источника питания // Радио. —
2004.-№4.-С. 54-56.
98. Першин В. Расчет сетевого транс-
форматора источника питания // Радио. —
2004.-№5.-С. 55-57.
99. Петров А. Импульсный источник
питания УМЗЧ. // Радиолюбитель. —
№3.-1993. -С. 24.
100. Петров А. Индуктивности, дрос-
сели, трансформаторы (упрощенный рас-
чет) // Радиолюбитель. — 1995. — №11.—
С. 10-11.
101. Петров А. Индуктивности, дрос-
сели, трансформаторы (упрощенный рас-
чет) // Радиолюбитель. — 1995. — № 12. —
С. 10-11.
102. Петров А. Индуктивности, дрос-
сели, трансформаторы (упрощенный рас-
чет) // Радиолюбитель. - 1996. - № 2. -
С. 13.
103. Петров А. Индуктивности, дрос-
сели, трансформаторы (упрощенный рас-
чет) // Радиолюбитель. — 1996. — № 3. —
С. 13/;
104яПетров А. Индуктивности, дрос-
сели, трансформаторы (упрощенный рас-
чет) // Радиолюбитель. — 1996. — № 4. —
С. 13-14.
105. Петров А. Индуктивности, дрос-
сели, трансформаторы (упрощенный рас-
чет) // Радиолюбитель. - 1996. - № 5. -
С. 11-12.
106. Писакин А. А316 вместо батарейки.
// Радиолюбитель. — 1994. — № 4.
107. Пожидаев М. Преобразователь
напряжения на ИМС. // Моделист- кон-
структор. -1987. -№ 5.
108. Попович В. Стабилизатор напряже-
ния с защитой от КЗ. // Радио. — 1977. —
№9.-С. 56.
109. Потупчик С, Шелестов И.
Электроника для рыболова. — М.:
Солон-Р.-2001.
ПО. Преобразователь 12 В в 220 В для
походов. // Радиоконструктор. — 1999. —
№5.-С 27.
111. Преобразователь напряжения 12 В—
220 В. // Радио Телевизия Електроника. —
1998.-№6.-С. 12.
112. Простейший расчет силовых транс-
форматоров и автотрансформаторов.
URL: http://electricalschool.info/main/
sovety/997-prostejjshijj-raschet-silovykh.
html (дата обращения 10.10.2016).
113. Простые стабилизаторы напря-
жения и их расчет. URL: http://www.
meanders.ru/stabilizator.shtml (дата обра-
щения 10.10.2016).
114. Прус С. Двуполярное напряжение из
обыкновенного. // Радиоаматор. —1999. —
№6.
Список литературы и Интернет-ресурсов
397
115. Пышкин В. Трехфазный инвертор. //
Радио. - 2000. - № 2. - С. 35.
116. Расчет автотрансформатора мощно-
стью до 1 кВт. URL: http://electricalschool.
info/spravochnik/maschiny/634-raschet-
avtotransformatora-moshhnostju.html (дата
обращения 10.10.2016).
117. Расчет бестрансформаторного
блока питания. URL: http://radiopolyus.
ru/radiolicbez/39-radiokonstruktoru/172-
raschet-bestransformatornogo-bloka-
pitaniya (дата обращения 10.10.2016).
118. Расчет и выбор диаметра прово-
локи для ремонта предохранителя. URL:
http://ydoma.info/electricity-sechenie-
provoda-dlya-predohranitelya.html (дата
обращения 10.10.2016).
119. Ремонт трубчатого предохрани-
теля, выбор диаметра проволоки. URL:
http://imolodec.com/appelectronics/
remont-trubchatogo-predokhranitelya-
vybor-diametra-provoloki (дата обращения
16.10.2016).
120. Регулятор напряжения с ограни-
чителем тока. // Wireless World. — 1980. —
№ 1, Радио. - 1981. - № 4. - С. 59.
121. Рубцов Д. Преобразователь (AC/DC/
АС) 12 — 220 вольт.//www.chem.net
122. Сажин В, Источник питания 12 В,
20 А. // Радиолюбитель. - 1997. - № 7.
123. Сафонов С. 4X1IM. // Радио-
Дизайн. - 2000. - № 13. - С. 33.
124. Селезнев В. Стабилизатор напряже-
ния на компараторе. // Р&дио. — 1986. —
№3.-С46. Т
125. Семенов В. Электроспшулятор для
рыб. // Радиолюбитель. 2001. — № 4. — С. 20.
126. Семенов И. Источник питания
«Ступенька». // Радиолюбитель. 2001. — № 4.
127. Семенов К Снова о балластном кон-
денсаторе // Радиомир. — 2006. — № 7. —
С. 12.
128. Семенов О. Импульсный понижаю-
щий стабилизатор.//www.qrx.narod.ru.
129. Семьян А. 500 схем для радиолю-
бителей. Источники питания. Изд. 3-е,
перераб. и доп. — СПб.: Наука и Техника,
2007.-416 с.
130. Сидоров И. К, Христинин А. А.,
Скорняков С. В. Малогабаритные магнито-
проводы и сердечники. Справочник. — М.:
Радио и связь, 1989. - 384 с.
131. Сидорович О. Стабилизированный
ИП на шесть значений выходного напря-
жения. // Радио. - 1997. - № 7. - С. 43,44.
132. Силовой трансформатор. Расчет
силового трансформатора. URL: http://
www.meanders.ru/silovoytranformator.
shtml (дата обращения 10.10.2016).
133. Скачать n/а версию Transformer
v.2.0.0.0. URL: http://www.gimmefiles.ru/
soft/windows/system/other_utilities/14063.
html (дата обращения 10.10.2016).
134. Скулаченко С. Источник питания для
телевизора. // Радио. - 1976. — № 7. - С. 47.
135. Скурихин В. Источник питания для
часов на БИС (резервируемый). // Радио. —
1988.-№11.-С. 37.
136. Смирнов В. Импульсный стабили-
"затор напряжения. // Радио. — 1986. —
№11.-С. 52.
137. Солнцев Ю. Источник питания для уси-
лителя НЧ. // Радио. -1984. - № 12. - С. 44.
138. Соломыков В. Преобразователь
однофазного напряжения в трехфаз-
ное. // Радио. - 1987. -№ 12. - С. 22. и
Радиолюбитель. 2000. - № 1. - С. 17.
139. Солонин В, Ю. Преобразователь
напряжения. Описание изобретения к
авторскому свидетельству № 1368950. //
Бюллетень «Открытия, изобретения». —
1988.-№3.
140. Справочник радиолюбителя — кон-
структора. Изд. 2-е. Составитель: Малинин
М. М. - М.: Энергия, 1978. - 752 с.
141. Стабилизатор 13 В 10 А. Валерий
Резвяков. UA3NBW. Кострома.
142. Стабилизатор напряжения пере-
менного тока 220 В. // Радио. - 1986. -
№ 6. - С. 57.
143. Стабилизированный сетевой пре-
образователь напряжения. // Радио. —
1989.-№7.-С. 93.
144. Струганое С. (UA9XCN).
Электронный предохранитель. // www.qrx.
narod.ru.
145. Студенев А. Расчет радиатора
для стабилизаторов напряжения //
Электрик. - 2012. - № 10. - С. 48-49.
146. Тагнирядно А. Преобразователь
напряжения для авометра Ц20. // Радио. —
1984.-№5.-С. 54.
147. Талалов А. Полевой транзистор в
стабилизаторе. // Радио. - 1983. - № 1. -
С. 59.
148. Талалов А. Регулируемый двупо-
лярный источник питания 12 В, 6 В; 1 А. //
Радио. - 1979. -№ 10. - С. 41.
149. Тиристорный преобразователь 12 В-
60 В 0,3 А. // Радио. -1978. - № 5. - С. 56.
150. Толованов Л. Эликсир жизни.
// Техника и наука. — 1974. — № 6. —
С. 20-22.
151. Тугое К М., Глебо&Б. А, Чарыков Я. А
Полупроводниковые приборы. — М.:
Энергоатомиздат, 1990. — 576 с.
152. Уваров А. Двуполярный источник
питания с обычной обмоткой трансфор-
398
Силовая электроника. Расчеты и схемотехника
матора. // Радиоконструктор. — 2000. —
№10.-С. 23.
153. Упрощенный расчет выпрямителя.
URL: http://radiobooka.ru/radionach/59-
uproshhennyj-raschet-vypryamitelya.html
(дата обращения 10.10.2016).
154. Упрощенный расчет трансформа-
тора для источника питания. // Радио. —
1992.-№4.-С. 53.
155. Федоров. В. Бездроссельный
преобразователь напряжения. //
Радиолюбитель. — 2001. — № 5.
156. Федосын С. Стабилизатор напряже-
ния. // Радио. - 1986. - № 2. - С. 57.
157. Филин С. Стабилизированный
источник питания 1,2 А; 40 В. // Радио. —
1983. -№1.- С. 61.
158. Фильтры высоких и низких частот.
URL: http://www.meanders.ru/filters.shtml
(дата обращения 10.10.2016).
159. Формула расчета плавкого предо-
хранителя (до 10А). URL: http://microsin.
net/adminstuff/hardware/diy-fuses.html
(дата обращения 10.10.2016).
160. Фурманский Е. Сетевая «Крона». //
Радио. - 1974. - № И. - С. 31.
161. Хабаров А. Миниатюрный источ-
ник питания 5 — 12 В. // Радио. — 2001. —
№ 9. - С. 43.
162. Ховайко О. Источники питания с
конденсаторным делителем напряжения.
// Радио. - 1997. -№ 11. - С. 56.
163. Ховайко О. Пятивольтовый ШИ
стабилизатор 5 В (15 В), 3 А. // Радио. -
1995. -№3.- С. 43.
164. Ходаковский Е. Преобразователь
полярности напряжения. // Радио. —
1984.- №7. -С. 49.
165. Цесарук Н. Регулировка U бестранс-
форматорного источника питания. //
Радиолюбитель. - 1999. - № 5. — С.17.
166. Цибульский В. Экономичный источ-
ник питания. // Радио. — 1981. — № 10. —
С. 56.
167. Цыпуштанов А. Миниатюрный
импульсный сетевой источник питания. //
Радио. - 1986. - № 4. - С. 48.
168. Черномырдин А. Простой импульс-
ный стабилизатор напряжения. // Радио.—
2003.- №7. -С. 26.
169. Чубинский К Транзисторный ста-
билизатор с защитой от КЗ. // Радио. -
1974.-№10.-С. 46.
170. Шандаренко Д. Транзисторный
регулятор сетевого напряжения. //
Радиоаматор-электрик. — 2000. — № 10. —
СП.
171. Шелестов И. Импульсный преобра-
зователь 12 В - 220 В 50 Hz, 100 W.
172. Шелестов И. Импульсный сетевой
источник питания. — Радиолюбителям —
полезные схемы. Часть 1. — М.: Солон-Р,
1999.-300 с.
173. Шелестов К Простейший импульс-
ный источник питания на 15 Вт. —
Радиолюбителям — полезные схемы.
Часть 2. - М.: Солон-Р, 1999. - 240 с.
174. Шелестов И. Радиолюбителям —
полезные схемы. Часть 2. — М.: Солон-Р,
1999.-240 с.
175. Шелестов. И. Радиолюбителям —
полезные схемы. Часть 3. — М.: Солон-Р,
1999.-240 с.
176. Шмелев О. Источник питания пред-
варительного усилителя НЧ. // Радио. —
1979.-№1.-С. 63.
177. Щербина А., Благий С, Иванов В.
Применение микросхем серии КР142. //
Райио. - 1991. - № 3. - С. 47, Радио. -
1991. - № 5. - С. 69, Радио. - 1989. -
№ Й. - С. 66.
178. Электрический предохранитель.
URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата
обращения 10.10.2016).
179. Электродвигатели. URL: http://
engineering-solutions.ru/motorcontrol/
motor/ (дата обращения 10.10.2016).
180. Электродвигатель постоянного
тока. URL: http://engineering-solutions.ru/
motorcontrol/dcmotor/#torque_constant
(дата обращения 10.10.2016).
, 181. Электротехнический справочник.
Общие вопросы. Электротехнические
материалы / под общ. ред. профессоров
МЭИ Герасимова В. Г., Грудинского П. Г.,
Жукова Л. А. и др. — 6-е изд., испр. и доп. —
М.: Энергия, 1980. — 520 с.
182. Эраносян С. А. Сетевые блоки
питания с высокочастотными преоб-
разователями. — Л.: Энергоатомиздат,
Ленийградское объединение, 1991. — 176
с.
183. Якименко Н. Источник питания
УНЧ. // Радио. - 1987. - № 7. - С. 60.
184. Яковлев В. Стабилизатор напряже-
ния с полевым транзистором. // Радио. —
1974.-№6.-С. 49.
185. Яковлев Е. Тринисторный преобра-
зователь. // Радио. - 1978. - № 5. - С. 56.
186. Янковский С. Импульсные источ-
ники питания телевизоров. — СПб.: Наука
и Техника, 2006. - 300 с.
\87.Янцев В. Комбинированный источник
питания. // Радио. -1991. - № 9. - С. 32.
ОПИСАНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО ДИСКА
«СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»
К книге прилагается виртуальный диск, размещенный на облачном
сервере по адресу https://yadi.sk/d/uLXQVtNqwnAp.
Доступ к диску без пароля!
На диске размещена обширная информация по радиоэлектронным
компонентам, используемым в силовой электронике. Количество фай-
лоз на диске - свыше 22000, суммарный объем - 7,9 ГБ. Предусмотрена
возможность пополнения и расширения библиотеки данных.
Разделы диска
1. Справочные данные (Datasheet)
2. Пассивные компоненты
Индуктивности, дроссели, трансформаторы
Конденсаторы
Охлаждение РЭА
Предохранительные устройства
Разъемы
Резисторы
Реле
Фильтры
3. Полупроводниковые и др. приборы
Диоды
Диоды Шотткм
Оптические приборы. Оптопары. Светодиоды
Симисторы, тиристоры, динисторы
Стабилитроны
Транзисторы IGBT
Транзисторы MOSFET
Биполярные транзисторы
Полевые транзисторы
Справка
4. Интегральные микросхемы
AC-DC и DC-DC преобразователи
AD-BA-LA-LB-LM-MC
Аналоговые микросхемы
Корректоры коэффициента мощности
Микросхемы зарядных устройств
Микросхемы управления двигателями
Стабилизаторы напряжения
Электронный балласт
5. Зарубежные производители элементов РЭА
6. Программы по электротехнике и электронике для Android
7. Справочники
Желаем успехов в радиолюбительском творчестве!