Зарядное устройство на импульсном блоке питания

Рассказать в:

В статье рассматриваются принципы построения обратно- ходового импульсного источника питания для зарядки автомо­бильных аккумуляторов с использованием инвертора, состоя­щего из генератора на однопереходном транзисторе и мощно­го транзисторного ключа. Схема разрабатывалась как малобюджетная с минималь­ным количеством радиодеталей.

                                     Зарядное устройство на импульсном блоке питания

Введение

Конструирование источников питания на силовых трансформа­торах прекратилась еще в про­шлом веке, ввиду больших габари­тов и массы и потерями электро­энергии на нагрев стабилизирую­щих элементов. Разработка мощ­ных высокочастотных транзисто­ров привела к использованию их в легких малогабаритных источни­ках тока с применением ферритовых высокочастотных трансформа­торов, которые позволяют выпол­нить инвертирование энергии в на­грузку на частотах, соизмеримых с длиной радиоволн. Малогабарит­ное исполнение трансформатора инвертора позволило выполнить источники тока карманного габари­та. Как и всем инновациям, импуль­сным источникам тока присущи не­которые недостатки, устранимые схемными решениями. Дальнейшее продвижение новых технологий привело к выполнению инвертора на одном кристалле, с повышени­ем частоты преобразования и уменьшением габаритов до разме­ров спичечного коробка.

Новые технологии зарядки и восстановления аккумуляторов по­зволяют снизить мощность на ре­генерацию пластин, хотя зарядка аккумуляторов в современных ав­томобилях не претерпела суще­ственных изменений, что, как и раньше, приводит аккумуляторы к преждевременной кристаллиза­ции, повышению внутреннего со­противления и ухудшению пуско­вых характеристик.

Трехфазный генератор перемен­ного тока автомобиля при выпрям­лении и стабилизации выходного напряжения не имеет циклической составляющей с определенной скважностью для импульсного ре­жима восстановления аккумулято­ра, возможно, это боязнь повредить электронную начинку автомобиля, аккумулятор в автомобилях заря­жается без снятия крупнокристал­лической сульфатации.

Помехи импульсного источника питания компьютера или иного ус­тройства легко устраняются введе­нием фильтров в блоках питания и подачей энергии в нагрузку при от­ключенном инверторе, то есть при отсутствии преобразования - сни­жении тока преобразования почти до нуля, и устранением паразитных колебаний, вызванных резонансом контура обмоток высокочастотно­го трансформатора.

Для борьбы с этим отрицатель­ным эффектом используется спе­циальный порядок намотки обмо­ток трансформатора с применени­ем внутренних межобмоточных эк­ранов, снижением поверхностного эффекта тока простым расщепле­нием проводников на большее ко­личество с меньшим сечением.

Принцип работы

В однотактный преобразова­тель входит два основных элемен­та - тактовый генератор на однопереходном транзисторе и блокинг-генератор на мощном транзи­сторе. Инвертирование энергии происходит многократно: энергия электросети выпрямляется диод­ным мостом и подается на ключе­вой преобразователь в виде посто­янного напряжения.

Высокочастотный ключ инвер­тора на транзисторе преобразует постоянное напряжение питания в импульсный ток первичной обмот­ки трансформатора. Вторичное на­пряжение выпрямляется и подает­ся на нагрузку.

В обратноходовых инверторах (см. [1]), в период замкнутого состо­яния транзисторного ключа, идет накопление энергии в трансформа­торе. Передача накопленной в трансформаторе энергии в нагруз­ку происходит при нахождении транзисторного ключа в разомкну­том состоянии.

Однополярное намагничивание феррита трансформатора приво­дит к остаточной намагниченности трансформатора после магнитного насыщения магнитопровода.

Для однополярного намагничи­вания важно наличие немагнитно­го зазора в замкнутом магнитопроводе, он уменьшает остаточную магнитную индукцию, в результате чего можно снимать гораздо боль­ший ток нагрузки без насыщения трансформатора.

Энергия, запасенная в трансфор­маторе за время коммутирующего импульса, не всегда успевает рассе­яться за время паузы, это может при­вести к насыщению трансформатора и потере магнитных свойств. Для устранения этого эффекта первич­ная цепь трансформатора шунти­рована быстродействующим дио­дом с реэистивной нагрузкой.

Дополнительное действие ока­зывает отрицательная обратная связь с эмиттера ключевого тран­зистора на его базу через парал­лельный стабилизатор.

Данное решение позволяет ключевому транзистору переклю­чится до насыщения магнитопровода, что снижает его температуру и улучшает рабочее состояние уст­ройства в целом.

Вторичное высокочастотное на­пряжение трансформатора вып­рямляется и подается в нагрузку. Для защиты транзисторного ключа в электронную схему вводятся эле­менты от теплового и электричес­кого пробоя. В момент переключе­ния транзисторного ключа на об­мотке индуктивного реактора воз­никают колебания импульсных на­пряжений, превышающие напряже­ние питания в несколько раз, что может привести к пробою транзис­торного ключа.

В этом случае обязательно ус­танавливается демпфирующий диод для симметрии протекающе­го двухполярного тока.

Управление почти всей мощно­стью преобразования одним тран­зистором требует выполнение не­которых условий его безаварийной работы [2]:

- ограничение базовых и кол­лекторных токов до допустимых пределов;

- отсутствие дефектов в элект­ронных компонентах;

- правильно рассчитанный транс­форматор;

- устранение возможного про­боя импульсными напряжениями преобразователя;

- снижение перегрева ключево­го транзистора;

- переключение ключевого транзистора до момента насыще­ния магнитопровода.

Источником высокочастотных электромагнитных помех [3] явля­ется паразитный высокочастотный резонанс контура, образованного индуктивностью рассеивания и вы­ходной емкостью цепей транзисто­ра и трансформатора, возникаю­щих в процессе преобразования энергии.

Необходимо оптимизировать конструкцию трансформатора для максимального снижения индук­тивности рассеивания, выполнить выбор сечения и количества про­водников, уменьшить собственную емкость трансформатора, правиль­но выбрать транзисторный ключ и элементы кламперной цепи, подав­ляющей выброс обратного напря­жения.

Принципиальная схема

В состав принципиальной схе­мы (рис. 1) входит сетевой выпря­митель напряжения электросети на диодной сборке VD4.

Зарядное устройство на импульсном блоке питания CVAVR AVR CodeVision cvavr.ru      Зарядное устройство на импульсном блоке питания CVAVR AVR CodeVision cvavr.ru

  Коммутаци­онные помехи в импульсных источ­никах питания возникают как след­ствие применения переключающе­го режима работы мощных регули­рующих элементов [4]. Для защи­ты сети и преобразователя от им­пульсных помех установлен сете­вой фильтр на двухобмоточном дросселе Т2 с конденсаторами С7, С8, СЮ для подавления несиммет­ричных помех.

 Двухобмоточный дроссель Т2 с синфазно включенными обмотка­ми служит для подавления симмет­ричных помех.

Ограничение зарядного тока конденсатора фильтра С4 выпол­нено на позисторе RT1, сопротив­ление которого падает с повыше­нием температуры корпуса.

Импульсные помехи преобразо­вателя, образованные ключевым транзистором VT2 и обмотками трансформатора Т1, в моменты пе­реключения токов устраняются па­раллельными RC-цепями - VD2, С5, R11 и С6, R13.

Снижение импульсных помех преобразования в низковольтных цепях нагрузки устраняются введе­нием индуктивности L1 в одну из цепей. Длительность пауз между импульсами выходного тока при этом незначительно увеличивает­ся без ухудшения преобразования.

Возможно использование в схе­ме магнитных дросселей из амор­фного сплава.

Двунаправленный индикатор на светодиоде HL1 и цепь стабилит­рона VD1 снижают уровень помех в цепях питания инвертора. Форми­рователь импульсов запуска ин­вертора выполнен на однопереходном транзисторе VT1. Импульсный блокинг-генератор собран на тран­зисторе VT2.

Стабилизация выходного на­пряжения выполняется оптопарой U1, вторичное напряжение, с галь­ваническим разделением, через оптопару автоматически поддер­живает поступление напряжения обратной связи с обмотки 2Т1 на вход транзистора VT2. При подаче сетевого питания напряжение с конденсатора фильтра С4 через обмотку 1Т1 поступает на коллек­тор транзистора VT2 инвертора.

Зарядно-разрядный цикл кон­денсатора С1 создает на резисто­ре R4 последовательность импуль­сов с частотой, зависящей от со­противления резисторов R1, R2 и конденсатора С1.

Конденсатор С2 ускоряет пере­ходный процесс переключения транзистора VT1.

Напряжение питания генерато­ра на однопереходном транзисто­ре стабилизировано диодом VD1. Импульсное напряжение с резисто­ра R4 открывает транзистор VT2 на несколько микросекунд, ток кол­лектора VT2 возрастает до 3-4 А.

Протекание коллекторного тока через обмотку 1Т1 [5] сопровожда­ется накоплением энергии в магнит­ном поле сердечника, после окон­чания положительного импульса ток коллектора прекращается.

Прекращение тока вызывает появление в катушках ЭДС само­индукции, которая создает на вто­ричной обмотке ЗТ2 положитель­ный импульс.

При этом через диод VD5 про­текает положительный ток. Поло­жительный импульс обмотки 2Т1 через резисторы R5, R9, R14 посту­пает на базовый вывод транзисто­ра VT2. Конденсатор СЗ поддержи­вает устойчивость работы блокинг - генератора, и схема переходит в режим автоколебаний. Повышение напряжения нагрузки приводит к открытию светодиода оптопары U1, фотодиод шунтирует сигнал с обмотки 2Т2 на минус источника питания, уровень импульсного на­пряжения на базе транзистора VT2 понижается со снижением зарядно­го тока аккумулятора GB1. Пере­грузка транзистора VT2 токами приводит к увеличению уровня им­пульсного напряжения на резисторе R12 цепи эмиттера, открыванию параллельного стабилизатора на­пряжения на таймере DA1. Шунти­рование импульсного напряжения на входе транзистора VT2 приве­дет к снижению энергии в сердеч­нике трансформатора, вплоть до форсированной остановки режима автоколебаний.

Напряжение отсечки тока тран­зистора VT2 корректируется рези­стором R10.

После устранения сбоя про­изойдет повторный запуск блокинг-генератора от формировате­ля импульсов запуска на транзис­тор VT1.

Выбор высокочастотного транс­форматора зависит от мощности нагрузки.

При эффективном токе нагруз­ки в десять ампер и напряжении вторичной обмотки 16В мощность трансформатора составит 160 Вт. С учетом действия тока заряда на аккумулятор для его восстановле­ния достаточно мощности не более 100 Вт.

Мощность трансформатора на­прямую зависит от частоты автоге­нератора и марки феррита, и при увеличении частоты в десять раз мощность увеличивается почти в четыре раза. Ввиду сложности са­мостоятельного изготовления в схеме использован трансформатор от монитора, возможно использо­вание и от телевизоров.

Рекомендации по самостоятель­ному изготовлению высокочастотно­го трансформатора приведены в [6].

Примерные данные трансфор­матора Т1: Б26М1000 с зазором в центральном стержне, 1-56 вит­ков ПЭВ-2 0,51,2-4 витка ПЭВ-2 0,18, 3 — 14 витков ПЭВ-2 0,31*3.

Наладка

Наладку схемы начинают с про­верки платы печатного монтажа, в цепь разрыва сетевого питания включают лампочку 220 В любой мощности, вместо нагрузки - лам­почку от автомобиля 12 В 20 све­чей. При первом включении и не­исправных деталях сетевая лам­почка загорит ярким светом - ав­томобильная не горит, при исправ­ной схеме сетевая лампочка может гореть слабым накалом, а автомо­бильная ярко.

Яркость лампочки - напряжение нагрузки, можно увеличить или уменьшить резистором R1.

Защита от перегрузки по току устанавливается резистором R10, стабилизация напряжения под мак­симальной нагрузкой регулируется резистором R5.

Резистором R15, при установке иных оптопар, корректируется ток светодиода оптопары U1 в преде­лах 5-6 мА.

При наличии осциллографа удобно проверить работу генерато­ра на транзисторе VT1 с времен­ной подачей на инвертор напряже­ния питания 30-50 В, частоту гене­ратора можно изменить резисто­ром R1 или конденсатором С1.

При слабой обратной связи (ве­лико значение сопротивления ре­зистора R5) или неверном подклю­чении обмотки 2Т2 в режиме блокинг-генератора транзистор VT2 может отключиться от кратковре­менной перегрузки и не работать, повторный запуск произойдет пос­ле повторного включения схемы, обратная связь с обмотки 2Т1 по­зволяет работать схеме в режиме автозапуска и последующего выбо­ра устойчивого состояния работы схемы установкой значения резис­тора R5.

Печатная плата

Печатный монтаж двухсторон­ний, плата размерами 110x65 мм (рис. 2), перемычки расположены со стороны радиокомпонентов.

Зарядное устройство на импульсном блоке питания CVAVR AVR CodeVision cvavr.ru      Зарядное устройство на импульсном блоке питания CVAVR AVR CodeVision cvavr.ru

Радиатор ключевого транзисто­ра VT2 использован от северного моста сопроцессора компьютера, бюджетный вентилятор компьютер­ного блока питания можно исполь­зовать по назначению с подключе­нием к источнику питания 13,8 В через резистор 33-56 Ом.

Внешний вид собранного на ма­кетной плате устройства представ­лен на рис. 3.

Рисунок печатной платы (файл zuibp_lay.zip) вы можете загрузить с сайта нашего журнала.

http://www.radioiiga.com

(раздел "Программы")

Литература

1.   С.Косенко. Особенности работы индуктивных элементов в однотактных преобразователях. - Радио, №7, 2005, с.30-32.

2.   В.Старков. Диагностика и ремонт строчной развертки мониторов. - Радиодело, №10-11, 2006, с.74-82.

3.   В.Рентюк. Уменьшение паразитных колебаний в обратноходовых импульсных источниках питания. - Ра­диохобби, №3, 2009, с. 53-56.

4.   М.Дорофеев. Снижение уровня помех от импульсных источников питания. - Радио, №9, 2006, с.38-40.

5.   С.А. Ельяшкевич. Цветные телевизоры ЗУСЦТ. - Радио и связь, 1989 г., с.80.

6.   А.Петров. Индуктивности, дроссели, трансформаторы. Радиолюбитель, №1, 1996, с.13-14.

Творческая лаборатория "Автоматика и телемеханика"


Владимир Коновалов, Александр Вантеев

г. Иркутск-43, а/я 380



Источник: http://cxema.my1.ru/publ/istochniki_pitanija/zarjadnye_ustrojstva_dlja_avto/zarjadnoe_ustrojstvo_na_impulsnom_bloke_pitanija/67-1-0-5038
Раздел: [Зарядные устройства (для авто)]

Сохрани статью в:

Оставь свой комментарий или вопрос:


Наше сообщество в VK, а ты с нами? Присоединяйся!!!
Тясячи схем в категориях:
-> Раздел:Электроника, схемы, описания
-> Вселенная, Земля и около орбитальная жизнь
-> Прочее
-> HITECH news технологии
-> Minecraft
-> Онлайн раздел РЫБОЛОВ
-> Интересные НОВОСТИ