Зарядное устройство на тиристорном инверторе

Введение

В статье рассмотрена возмож­ность использования тиристоров [1] в качестве переключающих эле­ментов инверторов обратноходовых импульсных источников пита­ния. Качественные показатели та­ких схем отличаются от схем на транзисторах, снижены требования к охлаждению приборов, отсутству­ют мощные высоковольтные кон­денсаторы и цепи снижения токов заряда.

Простота тиристорного регули­рования мощности позволяет ис­пользовать схемное решение для зарядки аккумуляторов и питания иных нагрузок.

Схема позволяет в автоматичес­ком режиме поддерживать на низко­вольтном выходе напряжение неза­висимо от колебаний тока нагрузки.

Устройство обеспечивает сни­жение мощности в нагрузке при критической температуре тиристо­ра, имеет плавное широтно-импульсное регулирование тока. Ам­перметр цепи заряда аккумулятора позволяет визуально контролиро­вать ток заряда.

Желание выполнить зарядное устройство с использованием в ин­верторе кремневого незапираемого тиристора диффузионной струк­туры возникло из-за применения в питании инвертора электролити­ческих конденсаторов большой ем­кости, необходимых при выполне­нии таких устройств на транзистор­ных инверторах. Почти нулевое со­противление конденсаторов при недостаточном ограничении тока в питающей сети приводят к перего­ранию сетевых предохранителей и даже к взрыву мощных сетевых ди­одных мостов. Для работы тиристорного инвертора емкость конден­сатора сетевого фильтра применя­ется минимального значения, с це­лью устранения импульсных помех от работы тиристора.

Высокочастотные тиристоры, применяемые ранее в развертках телевизоров, могут успешно эксп­луатироваться для работы в тиристорных инверторах.

Сердечник трансформатора на­капливает энергию магнитного поля при открытом тиристоре и при закрытом передает накопленную энергию в нагрузку.

Выбор силового трансформатора

Силовой трансформатор в схе­ме выбран из условий рабочей ча­стоты инвертора и мощности на­грузки вторичных цепей. Габарит­ная мощность превышает мощность нагрузок с учетом потерь. Выпол­нить самодельный трансформатор по рекомендациям в [2] - дело до­вольно хлопотное и длительное, в принципе проще подобрать транс­форматор заводского исполнения. К примеру, автором был использо­ван сетевой трансформатор от бло­ков питания компьютеров. По­скольку справку на обмоточные данные найти не удалось, один из трансформаторов был разобран и оказалось, что первичная обмотка содержит 42 витка провода типа ПЭЛ-0,63 с укладкой в двух слоях. Низковольтная обмотка содержит 6+6 витков провода диаметром 2x0,8 мм со средним выводом, то есть предлагаемый в [3] коэффи­циент трансформации К=15 соблю­ден.          -

Вторичное напряжение равно 2x7=14 В при первичном напряжении 280 В.

Принципиальная схема

Принципиальная схема (рис. 1) состоит: из генератора на аналого­вом таймере DA1, с регулятором скважности R2; эмиттерного повто­рителя на биполярном транзисто­ре VT1, необходимого для согласо­вания выходного сопротивления таймера с управляющим входом тиристора VS1; тиристорного ин­вертора с цепями переключения состояния тиристора; кламперная схема подавления выброса напряже­ния при демагнетизации индуктив­ности рассеивания; выпрямительно­го моста выходного напряжения VD8; выпрямителя питания генера­тора VD9 и повторителя со стаби­лизатором напряжения DA2, моста VD10 - питания инвертора Стаби­лизация выходного напряжения выполнена с помощью обратной связи с оптопарой DA3.

Генератор с регулируемой скважностью импульсов при неиз­менной частоте выполнен на интег­ральном таймере DA1. Для работы схемы в режиме автогенератора выводы 6 и 2 соединяются между собой и подключаются к конденса­тору С1.

Заряд конденсатора С1 происхо­дит по цепи R1, VD1, R2, С1. Время заряда T1=0,639(R1+R2)C1, время разряда T2=0,639(R2+R3)C1.

Во время заряда конденсатор С1 заряжается до напряжения в 2/ 3 Un на входе 2 DA1, в это время на выходе 3 DA1 таймера высокий уровень, внутренний триггер мик­росхемы переключается и на выхо­де 3 появляется низкий уровень, открытый внутренний транзистор микросхемы таймера начинает раз­ряжать конденсатор С1 через диод VD2, резистор R3 и вывод 7 DA1. После разряда конденсатора до уровня.1/3 напряжения питания таймер вновь включает цикл заря­да конденсатора С1. В результате этого на выходе таймера получает­ся непрерывная последователь­ность прямоугольных импульсов. Прямоугольный импульс с выхода 3 DA1 через резистор R4 поступа­ет на вход транзистора VT1 эмит­терного повторителя. С нагрузки R7 цепи эмиттера импульс напря­жения в той же полярности посту­пает на управляющий электрод ти­ристора VS1.

Питание регулятора скважности, микросхемы таймера DA1 и эмиттерного повторителя выполнено от аналогового стабилизатора DA2.

Стабилизация выходного на­пряжения осуществляется с клемм нагрузки ХТЗ, ХТ4 через оптопару DA3 на вход модификации 5 DA1. Мост, составленный из регулятора R10 - установки сигнала обратной связи и светодиода оптопары, по­зволяет при росте напряжения на­грузки открыть транзистор оптопары, который шунтирует через резистор R5 делитель микросхемы с уров­нем 2/3 напряжения питания по входу 5 DA1, ширина импульса уменьшается без изменения паузы, напряжение на нагрузке падает. Температурный датчик RT1, в цепи обратной связи, позволяет при ро­сте температуры радиатора тири­стора VS1 снизить выходное напря­жение нагрузки.

Тиристор шунтирован парал­лельной цепью R12, С5, VD7, позво­ляющей удлинить время включения.

Цепь рекуперации энергии об­ратного импульса обмотки транс­форматора выполнена на диоде VD6 с нагрузкой R11 и фильтром С6.

Тиристор закрывается, при от­сутствии тока управления, низким напряжением открытого перехода. Напряжение на резисторе R13 в цепи анода падает до импульсного напряжения открытого состояния, конденсатор С9 разряжается для подпитки тока обмотки трансфор­матора Т1, ток удержания снижа­ется до полного отключения тири­стора. Для снижения воздействия тока управления на управляющий электрод подается отрицательное напряжение с резистора R8 цепи катода. Стабилитрон VD4 ограни­чивает импульс обратного напря­жения на уровне несколько ниже допустимого значения для данно­го типа тиристора.

Сетевое питание инвертора пода­ется с диодного моста VD10. Кон­денсатор СЮ выполняет подготовку рабочего напряжения инвертора и фильтрует возможные помехи от работы тиристора VS1.

Диодный мост VD9 подключен к электросети через разделитель­ный конденсатор С11, пониженное напряжение после сглаживания конденсатором С8 поступает на аналоговый стабилизатор на мик­росхеме DA2.

Элементы пассивной защиты и коммутации выполнены на предохра­нителе FU1 и выключателе сети SA1.

Наладка схемы

После полной сборки схемы с использованием рекомендованных радиокомпонентов, наладка начи­нается с проверки сопротивления цепей питания на наличие коротких замыканий. Подключив вместо предохранителя лампочки 220 В 100 Вт, можно подать напряжение сети. Если лампочка загорится по­чти в полную яркость - следует найти замыкание или неисправный элемент, если этого не случилось или лампа горит слабым накалом - можно подключить вместо акку­мулятора автомобильную лампоч­ку 12/24 В 50 Вт, свечение лампоч­ки указывает на исправную рабо­ту схемы при повышении накала сетевой лампы.

Регуляторами скважности R2 и установки обратной связи устано­вить наибольшую яркость лампочки вторичной цепи. После установки устойчивой работы схемы цепь пре­дохранителя можно восстановить.

В процессе небольшой прогон­ки схемы с нагрузкой в виде лам­почки, после отключения от сети, проверить температуру радиатора тиристора.

По возможности в стенке корпу­са зарядного устройства дополни­тельно установить вентилятор от компьютера или использовать кор­пус блока питания.

Радиокомпоненты

В устройстве тиристорного ин­вертора установлены радиодетали заводского исполнения, возможная замена и характеристики указаны в таблице 1.

К выходным клеммам ХТЗ, ХТ4 в соответствующей полярности проводом сечением не менее 4 мм подключается автомобильный ак­кумулятор на напряжение 12 В, емкостью 10...100 А*ч. Регулято­ром тока заряда R2 установить ток по амперметру в 0,02С - от емкос­ти аккумулятора, к примеру при 100 А*ч ток заряда - 2 А. Время заряда 5-6 часов.

Литература

1.    Тиристоры. Перевод с английского. - "Энергия", Москва, 1971 г.

2.    А. Петров. Индуктивности, дроссели, трансформаторы. - Радиолюбитель, №1, 1996, стр. 13.

3.     В. Володин. Инверторный источник сварочного тока. - Радиолюбитель, №9, 2003, стр. 32.

Творческая лаборатория "Автоматика и телемеханика"

Владимир Коновалов, Михаил Мальков

г. Иркутск-43, а/я 380