Leistungsstarker 24/12 Volt Spannungswandler mit hohem Wirkungsgrad. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter

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Fast alle Automobilgeräte (Radio-Tonbandgeräte, Fernseher, Kühlschränke, sogar Hintergrundbeleuchtung!) sind für 12 V ±2...3 V ausgelegt und fallen bei direktem Anschluss an ein 24-V-Netz sofort aus.

Der einfachste Ausweg besteht darin, die Geräte mehr oder weniger symmetrisch über die „Hälften“ einer Standardbatterie mit Strom zu versorgen (z. B. ein Radio über eine 12-Volt-Batterie und einen Fernseher über diese), eine vollständige Symmetrie kann jedoch nicht erreicht werden Dies führt dazu, dass einer der Akkus ständig nachgeladen wird und der andere unterladen wird. und dadurch verringert sich die Lebensdauer beider Batterien stark. Der einzige Ausweg besteht daher darin, den Spannungswandler auf die für solche Geräte erforderlichen 12 V abzusenken. Für ein modernes Autoradio bei maximaler Lautstärke wird ein Strom von 2...4 A benötigt, für einen LCD-Fernseher etwa 1 A Daher sollte der Ausgangsstrom des Wandlers unter Berücksichtigung der Reserve im Bereich von 5...10 A liegen. In diesem Fall sollte die Erwärmung der Leistungselemente des Stromkreises minimal sein (d. h. der Wirkungsgrad beträgt). maximal möglich), da Automobilausrüstung oft in heißen Klimazonen betrieben wird und selbst sehr heiß wird.

Ein Diagramm eines solchen Konverters ist in Abb. 1.11 gezeigt. XNUMX.

Auf dem Timer DD1.1 ist ein Taktgenerator montiert, dessen kurze Impulse von Pin 5 den PWM-Modulator auf dem Timer DD1.2 ansteuern. Aufgrund der internen Eigenschaften der 555-Mikroschaltung sollte die Dauer der Auslöseimpulse am S-Eingang so kurz wie möglich sein, damit der Generator an DD1.1 asymmetrisch ist - der Widerstandswert des Widerstands R1 (durch den der Kondensator C1 entladen wird) ist hundertmal kleiner als der Widerstand von R2. In den meisten Fällen können die R1-Pins grundsätzlich kurzgeschlossen werden, aber man sollte es besser nicht riskieren und einen Widerstand mit niedrigem Widerstand (100...330 Ohm) einlöten.

Reis. 1.11. Elektrischer Schaltplan des Konverters (zum Vergrößern anklicken)

Funktionsprinzip des Geräts

Der Modulator wird nach dem üblichen Schema auf dem DD1.2-Timer aufgebaut: Wenn die Spannung am REF-Eingang abnimmt, nimmt die Dauer einzelner Impulse (mit konstanter Periode) am Ausgang ab, d. h. die Ausgangsspannung nimmt ab. Der Thermistor R4 schützt vor Überhitzung, wenn sich der Kühlkörper der Schlüsseltransistoren auf über 80...100°C erwärmt; sein Widerstand sinkt unter die Schaltschwelle des Mikroschaltkreises am RES-Eingang (1.0 V) und am RES-Eingang wird eine logische Null erzwungen Ausgang der Mikroschaltung, bis die Transistoren abgekühlt sind. In diesem Fall werden beide Schlüsseltransistoren geschlossen und die Ausgangsspannung verschwindet.

Die Mikroschaltung hat eine kleine Schalthysterese (ca. 40 mV) am RES-Eingang, daher kommt es bei zuverlässigem thermischen Kontakt des Thermistors mit dem Strahler zu keinem Schaltprellen; Für zusätzlichen Schutz vor Störungen wurde der Schaltung ein Kondensator C3 hinzugefügt, dessen Kapazität vorzugsweise auf Hunderte von Mikrofarad zu erhöhen ist.

Als Treiber für Leistungstransistoren wurde die Mikroschaltung IR2103 (DD2) ausgewählt. Für dieses Gerät ist diese Mikroschaltung in jeder Hinsicht ideal und hat gleichzeitig nicht zu hohe Kosten. Einer seiner Eingänge ist direkt, der zweite ist invers; Dadurch konnten wir einen externen Wechselrichter einsparen.

Die Mikroschaltung verfügt über eine eingebaute Logik, die das gleichzeitige Entsperren beider Transistoren (durch Ströme) verhindert, sowie einen Pausengenerator („Totzeit“, Totzeit) zwischen Impulsen an den Ausgängen; dadurch konnte die Anzahl externer Elemente reduziert werden auf ein Minimum reduzieren und keinen Schutz auf zusätzlichen logischen Elementen aufbauen müssen. Außerdem verfügt die Mikroschaltung über Ausgänge, die stark genug sind, um die Ausgangs-Feldeffekttransistoren direkt zu steuern, wodurch 4 externe Transistoren in den Emitterfolgern und das „Highlight“ der Mikroschaltung – die „schwebende“ Spannung der oberen Ebene (die Spannungsdifferenz) eingespart werden erreichen 600 V!) mit vollständiger elektrischer Isolierung innerhalb der Mikroschaltung selbst. Ohne diesen „Trick“ müsste die Schaltung durch die Einführung eines schnellen (und teuren) Optokopplers und eines Dutzend weiterer Elemente erheblich komplizierter werden.

Die Mikroschaltung ist nach einer Standardschaltung angeschlossen, die Pins 2 und 3 können miteinander verbunden werden, es ist jedoch besser, die Kette R6 C4 für den korrekten Betrieb des Wandlers bei Auslösung des Thermoschutzes zu belassen. Andernfalls ist in dieser Situation der Transistor der unteren Ebene ständig offen und schließt den Ausgang kurz. Pin Vs – gemeinsamer Draht des Hochspannungsteils (isoliert), Pin V, sein Leistungspin (+10...+20 V). In dieser Schaltung ist der Transistor am unteren Ende der Schaltung (VT2) noch offen, Vs ist mit der gemeinsamen Leitung verbunden und der Kondensator C5 wird über die Diode VD1 fast auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Nach einiger Zeit schließt VT2, aber die Ladung am Kondensator C5 bleibt bestehen, da der Leckstrom extrem gering ist. Wenn am HIN-Eingang eine logische Eins empfangen wird, wird der Ausgang des NO über einen internen Transistor mit dem V-Anschluss verbunden, dh der Kondensator lädt das Gate des Transistors VT1 auf und dieser öffnet. Der Gate-Leckstrom des Transistors ist extrem gering und seine Kapazität ist hunderte Male kleiner als die Kapazität von C5, sodass der Transistor bis zur Sättigung eingeschaltet ist und die Effizienz der Schaltung so hoch wie möglich ist. Im nächsten Zyklus wird C5 wieder aufgeladen.

Der Spannungsregler ist auf dem Transistor VT3 montiert. Sobald die Ausgangsspannung 12 V überschreitet, fließt Strom durch die Zenerdiode VD2, der Transistor öffnet sich leicht und senkt die Spannung am REF-Eingang des Modulators. Die Dauer einzelner Impulse wird etwas kürzer und es entsteht ein dynamisches Gleichgewicht. Zur Unterdrückung des Rauschens der Zenerdiode und des Transistors werden die Kondensatoren C7 oder C8 benötigt; es muss nur einer dieser Kondensatoren eingelötet werden! Welches beim Setup ausgewählt wird, da es von der Installation und den verwendeten Elementen abhängt. Ohne Kondensatoren kommt es zu Rauschen am Gleichspannungsausgang (und man hört, wie die Spule Geräusche macht) und durch die Erwärmung der Transistoren nimmt der Wirkungsgrad leicht ab, sind aber beide Kondensatoren eingelötet, wird der Stromkreis erregt . Der Widerstandswert des Widerstands R12 begrenzt die Verstärkung des Rückkopplungskreises; je größer er ist, desto instabiler arbeitet der Wandler. Bei dem angegebenen Widerstandswert ändert sich die Ausgangsspannung je nach Laststrom um nicht mehr als 0.3...0,5 V, was für einen solchen Wandler völlig ausreichend ist. Bei Verwendung von Transistoren mit einem kleineren Koeffizienten h kann der Widerstandswert des Widerstands R12 auf 2...10 kOhm reduziert werden.

Die Stromkabel des Konverters müssen direkt an die Batterie angeschlossen werden. Andernfalls (bei Anschluss nach dem Zündschalter) stören das Zündsystem und andere elektrische Geräte des Fahrzeugs den Konverter; außerdem wird er selbst da sein.

kann die Elektronik des Autos beeinträchtigen und in manchen Fällen gefährlich sein. Da der Wandler auch bei ausgeschalteter Last einen gewissen Ruhestrom verbraucht (dieser Stromkreis beträgt ca. 30...50 mA), wurde dem Stromkreis ein Schalter an den Transistoren VT4, VT5 hinzugefügt. Es schaltet die Leistung nur auf den Low-Power-Steuerkreis; die Ausgangstransistoren sind direkt mit der Batterie verbunden, so dass es im Leistungsteil zu keinem Leistungsverlust kommt. Wenn eine Spannung über 5 V an den „Steuereingang“ angelegt wird (dieser Eingang kann an den Zündschalter angeschlossen oder über einen beliebigen Schalter mit geringer Leistung an +24 V angeschlossen werden), öffnet sich der Transistor VT4, entsperrt den Transistor VT5 und versorgt den mit Spannung DA1-Stabilisatorchip.

Um die Schaltung mit positiver Spannung betreiben zu können, werden zwei Transistoren verwendet; Kondensator C10 glättet Kontaktprellen. Es gibt keine positive Rückkopplung, um den Tastenbetriebsmodus des Schalters sicherzustellen, sie ist jedoch auch nicht erforderlich; die Verstärkung der beiden Transistoren ist so groß (Zehntausende), dass die Schaltung immer im Tastenmodus arbeitet.

Der Widerstand R13 schützt den Wandlerkreis vor Ausfällen aufgrund versehentlicher Kurzschlüsse zum Gehäuse und senkt außerdem die Eingangsspannung, wodurch die Erwärmung des DA1-Stabilisators verringert wird.

Wenn am „Steuereingang“ keine Spannung anliegt, sind alle Mikroschaltungen stromlos; in der DD2-Mikroschaltung sind die Pins 4 und 5, 6 und 7 durch interne Widerstände mit kleinem Widerstand verbunden und beide Schlüsseltransistoren sind geschlossen. Der Stromverbrauch in diesem Modus wird hauptsächlich nur durch den Leckstrom der Filterkondensatoren C9 bestimmt und überschreitet nicht Hunderte von Mikroampere.

Um die Grafik zu vereinfachen, ist die Verkabelung des Stromversorgungskreises in der Abbildung nicht dargestellt; dieser Stromkreis ist genauso empfindlich wie die zuvor besprochenen. Der gemeinsame Ausgang des Widerstands R11 ist mit dem Kondensator C6 verbunden, die Rückkopplungselemente links (gemäß Diagramm) des Widerstands R12 sind mit Pin 14 von DD1 verbunden.

Es empfiehlt sich, die Filterkondensatoren C6 und C9 aus zwei oder drei parallel geschalteten Kondensatoren kleinerer Kapazität auszuwählen. Bei Betrieb mit Nennstrom sollten diese Kondensatoren eine halbe Stunde nach dem Einschalten des Wandlers kalt bleiben und sich um nicht mehr als 5...10°C erwärmen. Es ist sinnvoll, Kondensatoren verschiedener Hersteller auszuprobieren; In jedem Fall gilt: Je größer der Kondensatorkörper bei gleicher Kapazität und Spannung, desto besser funktioniert er.

Bei einem ordnungsgemäß montierten Wandler mit einem Laststrom von 3.4 A überschreitet die Erwärmung der Gehäuse der Transistoren VT1 und VT2 auch ohne Heizkörper 50...70 °C nicht. Daher reichen bei einem Betrieb mit einem solchen Strom kleine Kühlkörperplatten mit den Maßen 30 x 50 mm für jeden Transistor aus; sie sollten sich nicht berühren! Wenn Sie mit einem Laststrom von bis zu 10 A arbeiten, benötigen Sie ernsthaftere Strahler, mindestens einen Nadelstrahler mit den Abmessungen 50 x 100 mm (für beide Transistoren müssen die Transistoren davon isoliert werden, hierfür ist es zweckmäßig, a zu verwenden (Montagesatz aus alten Computer-Netzteilen) oder Sie können es an der Basis der Metallplatte des Konvertergehäuses befestigen, die Transistoren darauf platzieren und die Basis des Gehäuses gegen jedes Hardwareteil am Maschinenkörper drücken, das sich nicht erwärmt während des Betriebs näher an den Batterien. In diesem Fall ist auf einen guten Wärmekontakt zu achten, beide Oberflächen zu reinigen und es empfiehlt sich die Verwendung von Wärmeleitpaste.

Über Details

Die L1-Spule besteht in der Version des Autors aus einem gepanzerten Kern (Becher) mit einem Durchmesser von 48 und einer Höhe von 30 mm, zwischen den Kernhälften sind zwei Lagen Zeitungspapier eingelegt.

Die Wicklung ist in zwei parallel geschaltete Transformatordrähte mit einem Durchmesser von 1,5 mm gewickelt, die Anzahl der Windungen, um den Rahmen zu füllen (ca. 24...30). Eine solche Spule blieb bei einem konstanten Laststrom von 7 A kalt. Bei einem Laststrom von bis zu 3...5 A können Sie 2-3 K50x40x10-Ringe nehmen und 40...50 Windungen mit einem Draht mit einem Durchmesser wickeln von etwa 1 mm in 2...4 Drähten.

Oder Sie nehmen einen beliebigen anderen Ferritkern für Impulswandler, etwa gleich groß und am besten geteilt.

Anstelle der NE556-Mikroschaltung können Sie zwei 555-Mikroschaltungen oder deren heimische Kopie KR1006VI1 verwenden, anstelle der Transistoren BC817 können Sie KT3102B und anstelle von BC807 - KT3107B verwenden. Der Kondensator C5 sollte einen niedrigen ESR-Wert haben, d. h. aus Film oder Keramik, und die Diode VD1 sollte schnell wirkend sein, eine niedrige Kapazität und eine geringe Sperrverzögerungszeit aufweisen.

Als letzten Ausweg können Sie einen Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 1 μF und einen Keramik-Mehrschichtkondensator (aber keinen Scheibenkondensator!) mit einer Kapazität von 0...1 μF parallel schalten und die Diode durch einen KD521 oder ähnliches ersetzen. Andernfalls wird der Transistor VT1 sehr heiß. Es empfiehlt sich, die Feldeffekttransistoren VT1 und VT2 mit einem offenen Kanalwiderstand von nicht mehr als 0,03 Ohm zu verwenden; in der Version des Autors wurde KP723A verwendet – Analoga von IRFZ46N.

Für Lastströme bis 5 A verwenden Sie am besten Dual- und Hochfrequenztransistoren IRFI4024H – sie werden in einem isolierten TO220-5-Gehäuse hergestellt (d. h. das Gehäuse muss nicht vom Kühlkörper isoliert werden) und sind es auch Kann zusammen mit dem IR2103-Treiber bei Frequenzen von bis zu 200...500 kHz betrieben werden (gegenüber 30...70 kHz für IRFZ46 und ähnliche).

Der Thermistor R4 kann beliebig klein sein (damit er sich bei einem Unfall schneller erwärmt) und einen Widerstand bei Raumtemperatur über 5 kOhm haben.

Der Wärmeschutz muss vor der Verwendung kalibriert werden. Wir machen das so: Wir löten Drähte an die Anschlüsse des Thermistors, stecken ihn in mehrere stabile, ineinander gesteckte Beutel und senken ihn in kochendes Wasser. Nach einer Minute messen wir den Widerstand des Thermistors (Sie müssen sicherstellen, dass kein Wasser oder Dampf in die Beutel gelangt), multiplizieren diese Zahl mit 12...15 – das sollte der Widerstand des Widerstands R3 sein. so dass der Thermoschutz bei einer Temperatur von 80...100°C funktioniert.

Der Thermistor muss möglichst nahe an den Transistoren am Heizkörper montiert werden, wobei die Kontaktfläche sorgfältig mit Wärmeleitpaste geschmiert und ggf. auf elektrische Isolierung geachtet werden muss.

Manchmal müssen Sie auch den Widerstandswert des Widerstands R8 auswählen – er sollte so sein, dass bei kurzgeschlossenen Anschlüssen des Kondensators C3 an Pin 5 von DD2 eine Spannung von Null anliegt.

Einrichtungsmerkmale

Dank der eingebauten Schutzlogik im DD2-Chip kann der Konverter zum ersten Mal mit eingelöteten Schlüsseltransistoren VT1 und VT2 eingeschaltet werden, aber für alle Fälle (plötzlich sind die Spuren falsch verlegt) wird „+“ von der Die Batterieversorgung erfolgt über eine Glühlampe mit 24 V, 1...2 A. Kondensatoren C7 und C8 löten wir nicht. Als Last schließen wir zwei in Reihe geschaltete Glühbirnen einer Christbaumgirlande (12 V, 0,16 A) an den Ausgang des Gerätes an. Im Normalbetrieb des Konverters sollten diese Lampen leuchten (die Spannung am Konverterausgang sollte etwa 12 V betragen, aber mehr als 6...8 V und weniger als 15 V), die Power-Lampe sollte nicht leuchten Der durchfließende Strom sollte 200 mA nicht überschreiten. Gleichzeitig überprüfen wir die korrekte Funktion des Schalters, obwohl dieser bei korrekter Installation und einwandfreiem Zustand nie eingestellt werden muss, und stellen sicher, dass der Stromverbrauch im „Aus“-Modus 1 mA nicht überschreitet.

Wenn er größer ist, löten wir die Kondensatoren C9 ab und wiederholen die Messung: Wenn er kleiner geworden ist, bauen wir bessere Kondensatoren ein; bleibt er unverändert, löten wir die gleichen Kondensatoren und löten einen Widerstand mit einem Widerstand von 10 kOhm zwischen Gate und Source Klemmen beider Feldwiderstände.

Während des Betriebs sollte der Wandler nicht pfeifen. Wenn Geräusche zu hören sind, müssen Sie die Betriebsfrequenz erhöhen, indem Sie die Kapazität der Kondensatoren C1 und C2 verringern. Wenn auch bei Kapazitäten von 200 pF das hochfrequente Quietschen nicht verschwindet, ist höchstwahrscheinlich die Schaltung erregt.

Danach schalten wir die Last ab und messen den vom Stromkreis verbrauchten Strom; er sollte im Bereich von 40...70 mA liegen. Wenn sie viel größer ist, bedeutet dies, dass die Induktivität der Spule L1 nicht ausreicht und Sie entweder die Betriebsfrequenz erhöhen müssen (wenn die Schaltung bereits mit einer Ultraschallfrequenz (unhörbar) arbeitet, ist es besser, dies nicht zu tun!), oder Wickeln Sie weitere zehn oder zwei Windungen auf die Spule.

Als nächstes schalten wir anstelle einer Glühbirne im Stromkreis ein Amperemeter mit einer Messgrenze von mehr als 5 A ein und schließen eine Glühbirne mit einer Stromaufnahme von 2...4 A an den Ausgang an (d. h. seine Leistung beträgt 24...48 W). Der Strom, den der Stromkreis von der Batterie verbraucht, sollte ungefähr 2-mal geringer sein als der Strom durch die Glühbirne, beide Feldeffekttransistoren ohne Strahler sollten sich nicht erwärmen (bei einem Laststrom von 2 A) oder bei dem maximalen Strom, den sie sollten langsam auf ca. 50...70 °C erwärmen.

Außerdem sollte die Temperatur beider Transistoren ungefähr gleich sein.

Wenn sich VT2 deutlich stärker erwärmt als VT1, müssen Sie mithilfe einer in Reihe geschalteten LED und eines Widerstands mit einem Widerstand von 1...10 kOhm sicherstellen, dass an seinem Gate ein Signal anliegt, und diese zwischen dem gemeinsamen Draht und dem verbinden Transistor-Gate. Wenn die LED viel schwächer als am Gate VT1 oder überhaupt nicht leuchtet, müssen Sie die Kapazität des Kondensators C4 erhöhen.

Da im Stromkreis kein Stromschutz (gegen Kurzschluss) vorhanden ist, muss die Last über eine 5...10 A-Sicherung angeschlossen werden. Diese kann im Sicherungskasten des Fahrzeugs oder im Gehäuse (am Pluskabel) des Fahrzeugs platziert werden Der Konverter.

Bei einem Laststrom von 5 A müssen die Leitungen von der Batterie einen Querschnitt von mehr als 1 mm (Kupfer) haben, die Leitungen zur Last müssen mehr als 1,5 mm haben und bei höheren Strömen müssen die Leitungen dicker sein.

Durch den Einsatz leistungsstärkerer Transistoren mit geringerem Kanalwiderstand kann der Ausgangsstrom bei gleicher Erwärmung des Schaltkreises um ein Vielfaches erhöht werden, allerdings muss dann der Treiberchip ausgetauscht werden. IR2103 kommt mit IRFZ46-Transistoren „kaum zurecht“ und ist möglicherweise einfach nicht in der Lage, leistungsstärkere Transistoren zu verarbeiten. Ein idealer Ersatz ist die Mikroschaltung IR2183 – ein vollständiges Analogon in Bezug auf Eigenschaften, Pinbelegung und Gehäusetyp, jedoch mit einem Ausgangsstrom von bis zu 1,7 A. Sie sollte einfach anstelle der IR2103 eingelötet werden, ohne dass Änderungen an der Platine vorgenommen werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, die Kapazität des Kondensators C5 um ein Vielfaches zu erhöhen (mindestens 1 µF); es sollte sich um einen Film handeln.

Autoren: Kashkarov A. P., Koldunov A. S.

Siehe andere Artikel Abschnitt Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter.

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