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.

     

  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.

     

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