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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Leistungsstarker stabilisierter Gleichspannungswandler zur Stromversorgung von Netzwerkgeräten. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter Das vorgeschlagene Gerät ist für die Stromversorgung von Geräten ausgelegt, die an einem 220-V-50-Hz-Netz unter Feldbedingungen sowie während einer Notabschaltung des Wechselstromnetzes betrieben werden. Der Konverter ist in Blockbauweise ausgeführt. Es versorgt die Last mit einer stabilisierten Gleichspannung von 310 V oder einer Wechselimpulsspannung gleicher Amplitude mit einem Effektivwert von 220 V. Durch die Hinzufügung eines LC-Filters erhalten Sie eine Wechselspannung von 220 V in Sinusform. Elektrogeräte sind im Alltag moderner Menschen weit verbreitet. Als Energiequelle dient ihnen in der überwiegenden Mehrheit ein Wechselstromnetz mit einer Spannung von 220 V. Gleichzeitig ist die Stromversorgung in vielen Gegenden unseres Landes nicht sehr zuverlässig. In der Amateurfunkliteratur wurden viele Artikel über Konverter von Batteriegleichspannung in Wechselspannung veröffentlicht, die sich für die Stromversorgung von Verbrauchern in Zeiten ohne Spannung im Netz eignen. Sie können nach dem Prinzip der Niederfrequenz- [1-4] oder Hochfrequenz-Umwandlung [5, 6] arbeiten. Jeder dieser Konvertertypen hat seine eigenen Eigenschaften. Niederfrequenztransformatoren haben aufgrund der Verwendung eines Niederfrequenztransformators eine große Masse und große Abmessungen. Im Umrichter [3] wird nur der mittlere gleichgerichtete Wert der Ausgangsspannung stabilisiert, nicht jedoch die Amplitude und die Effektivwerte, was in manchen Fällen zu Schäden an den versorgten Verbrauchern führen kann. Der Wandler [4] verwendet eine schrittweise Regelung der Ausgangsspannung ohne Rückkopplung, was keine hohe Stabilität der Ausgangsspannung gewährleistet. Konverter, die mit Ultraschallfrequenzen (mehrere zehn Kilohertz) arbeiten [5, 6], sind hinsichtlich Gewicht und Größe besser, ihre Ausgangsleistung überschreitet jedoch 300 W nicht. Der Autor musste höhere Leistungslasten mit Strom versorgen. Bei der Entwicklung des vorgeschlagenen Geräts versuchte der Autor, die Vorteile der Hochfrequenzumwandlung beizubehalten und die Ausgangsleistung auf 1 kW zu erhöhen. Wichtigste technische Merkmale (bei Umgebungstemperatur 13...20 °C)
Der Konverter besteht aus vier Blöcken: einem Hochfrequenzgenerator, dessen Schaltung in Abb. dargestellt ist. 1, ein Hochfrequenz-Wechselrichter mit einem Gleichrichter-Spannungsvervielfacher (Abb. 2), einem Niederfrequenzgenerator (Abb. 3) und einem Brücken-Niederfrequenz-Wechselrichterschalter (Abb. 4).
Der Hochfrequenzgeneratorblock (siehe Abb. 1) enthält eine Eingangsspannungssteuereinheit am Transistor VT1 und Relais K1, einen internen 9-V-Versorgungsspannungsstabilisator auf dem DA1-Chip und einen Impulsgenerator mit einer Frequenz von 27 kHz an den Logikelementen DD1.1 .1.2 und DD 4, Impulsfrontverzögerungseinheiten an den Elementen VD4, R2, C5 und VD5, R3, C1.3, Steuerimpulsformer an den Elementen DD1.4, DD2.3, DD2.4, DD2 mit Ausgangsemitterfolgern an Transistoren VT5-VT2.1, Ausgangsamplitudensteuereinheitsspannung an den Elementen DD2.2, DDXNUMX.
Der Hochfrequenz-Wechselrichterblock (siehe Abb. 2) enthält eine Push-Pull-Kaskade auf leistungsstarken Feldeffekttransistoren VT6-VT9 und Transformator T1 sowie einen Gleichrichter mit Spannungsvervierfachung auf Dioden VD6-VD9 und Kondensatoren C7-C10. Dieses Gerät erzeugt eine konstante stabilisierte Spannung von 300.310 V. Wenn bekannt ist, dass die Wechselspannung in der Last gleichgerichtet und geglättet wird, kann eine solche Last über eine Sicherung mit einem Nennstrom von 5 A an dieses Gerät angeschlossen werden (siehe redaktionelle Anmerkung zu Artikel [5]). In diesem Fall werden die restlichen Blöcke nicht benötigt.
Der Niederfrequenzgeneratorblock (siehe Abb. 3) enthält einen internen 9-V-Versorgungsspannungsstabilisator auf dem DA2-Chip, einen Impulsgenerator mit einer Frequenz von 50 Hz auf den Logikelementen DD3.1 und DD3.2 sowie Strombegrenzungswiderstände R18 und R19 sowie Impulsflankenverzögerungseinheiten an den Elementen VD12, R20, C14 und VD13, R21, C15, Steuerimpulsformer an den Elementen DD3.3, DD3.4, DD4.3, DD4.4 mit Ausgangsemitterfolgern an den Transistoren VT11 -VT14, Laststrombegrenzer am Transistor VT10 und den Elementen DD4.1, DD4.2.
Der Brücken-Niederfrequenz-Wechselrichter-Kommutator (Abb. 4) enthält eine Brücke mit leistungsstarken Schlüsselfeldeffekttransistoren VT17-VT20 und einen Stromsensor - Widerstand R33. Steuerimpulse werden direkt an die Gates der unteren Transistoren VT18 und VT20 und über die Wechselrichter auf der Oberseite an die Gates der oberen Transistoren VT17 und VT19 geliefert. Ein Wechselrichter ist auf den Elementen VT15,VT16, R30, R31, C16, VD14, VD15 montiert, der zweite auf VT21, VT22, R35, R36, C17, VD16, VD17. An einer Diagonale der Brücke wird eine konstante Spannung von 310 V angelegt, an die andere wird über die Sicherung FU1 eine Last angeschlossen. Der Konverter funktioniert so. Wenn die Spannung der Versorgungsbatterie mehr als 10,5 V beträgt, öffnet der Transistor VT1, das Relais K1 wird aktiviert und über seine Kontakte K1.1 wird die Versorgungsspannung den Spannungsstabilisatoren an den Mikroschaltungen DA1 und DA2 zugeführt. Wenn die Batteriespannung unter 10,5 V sinkt, schließt der Transistor VT1, die Kontakte K1.1 öffnen sich und schalten die Stromversorgung der Generatoren ab, wodurch alle Schalttransistoren VT6-VT9 geschlossen werden und der Wandler abschaltet. Die Einschaltspannung wird durch den Trimmwiderstand R3 geregelt. Aufgrund der Tatsache, dass die Einschaltspannung des elektromagnetischen Relais K1 größer als die Ausschaltspannung ist, weist die Kennlinie des Knotens am Transistor VT1 eine kleine Hysterese auf, die für den praktischen Einsatz ausreichend ist. Die Schwingungsfrequenz des Generators an den Elementen DD1.1 und DD1.2 hängt vom Widerstandswert der Widerstände R1, R2 und der Kapazität des Kondensators C1 ab. Von den gegenphasigen Ausgängen des Generators (Pins 3 und 4 der DD1-Mikroschaltung) werden Impulse an die Impulsflankenverzögerungsknoten geliefert. Darüber hinaus werden ihre Rückgänge nahezu verzögerungsfrei übermittelt. Die Verzögerungszeit der Impulsflanken wird durch die Zeitkonstanten der Schaltkreise R4C2 und R5C3 bestimmt, die gleich sein müssen. Die Eigenschaften der Former weisen eine Hysterese auf, deren Größe vom Verhältnis der Widerstände der Mitkopplungskreiswiderstände (POC) R6 und R8, R7 und R9 abhängt. Von den Ausgängen der Former werden Steuerimpulse über Emitterfolger an den Transistoren VT2-VT5 an die Gates der Schlüsseltransistoren VT6-VT9 geliefert. Der Gleichrichter mit den Dioden VD6-VD9 und den Kondensatoren C7-C10 ist aus folgendem Grund darauf ausgelegt, die Spannung zu vervierfachen. Um die Streuinduktivität zu reduzieren, empfiehlt es sich, die Primär- und Sekundärwicklung des Transformators in einer Lage zu wickeln. Durch den Einsatz eines Spannungsvervielfachers ist es möglich, die Windungszahl der Sekundärwicklung um das Vierfache zu reduzieren und einschichtig zu gestalten. Die Spannung vom Gleichrichterausgang wird dem Teiler R10R11 zugeführt. Eine dazu proportionale Spannung vom Motor des Trimmwiderstands R11 wird dem Eingang des Knotens über die Elemente DD2.1 und DD2.2 mit einer PIC-Schaltung an den Widerständen R12 und R13 zugeführt, wodurch eine Schaltcharakteristik mit Hysterese entsteht. Nach dem Einschalten der Stromversorgung erhöht sich die Ausgangsspannung des Gleichrichters. Bei Erreichen der oberen Schaltschwelle (310 V) wird der Ausgang des Elements DD2.1, das mit den Pins 9 der Mikroschaltungen DD1 und DD2 verbunden ist, auf einen niedrigen Pegel gesetzt, der den Durchgang von Impulsen zu den Emitterfolgern als a verhindert Dadurch werden alle Tastentransistoren geschlossen. Danach sinkt die Ausgangsspannung des Gleichrichters aufgrund der Entladung der Kondensatoren C9 und C10. Beim Absinken auf die untere Schaltschwelle (300 V) wird der Ausgang des Elements DD2.1 auf High-Pegel gesetzt, was wiederum den Durchgang von Impulsen zu den Emitterfolgern ermöglicht, wodurch die Ausgangsspannung des Gleichrichters sinkt wird auf den oberen Schwellenwert ansteigen. Durch Bewegen des Schiebereglers des Trimmwiderstands R11 können Sie die Ausgangsspannung des Gleichrichters anpassen und durch Auswahl des Widerstands R13 können Sie die Differenz der Schaltschwellen anpassen. Eine Erhöhung des Widerstandswerts des Widerstands R13 verringert ihn, eine Verringerung erhöht ihn. Die Knoten des Niederfrequenzgenerators (siehe Abb. 3) ähneln den entsprechenden Knoten des Hochfrequenzgenerators, aber die Kapazität der Zeitkondensatoren des Niederfrequenzgenerators ist größer, sodass die Widerstände R18 und R19 hinzugefügt werden dazu, die den Entladestrom der Kondensatoren C14 und C15 begrenzen und die Ausgänge der DD3-Mikroschaltung (Pins 3 und 4 ) vor Überlastung schützen. Eine Wandlerüberlastschutzeinheit ist auf dem Transistor VT10, den Elementen DD4.1, DD4.2 und den Widerständen R25, R26, R29 aufgebaut. Wenn der Laststrom des Wandlers den zulässigen Wert überschreitet, steigt die Spannung am Widerstand R33 – dem Stromsensor – auf 0,7 V. In diesem Fall öffnet der Transistor VT10, der Ausgang des Elements DD4.2 wird auf einen niedrigen Pegel gesetzt, der wird den Pins der 9 Mikroschaltungen DD3 und DD4 zugeführt, wodurch der Durchgang von Impulsen zu den Emitterfolgern an den Transistoren VT11-VT14 verhindert wird. Alle Schlüsseltransistoren der VT17-VT20-Brücke sind geschlossen. Der Brücken-Niederfrequenz-Wechselrichterschalter (Abb. 4) funktioniert wie folgt. Während der Pause zwischen den Impulsen ist die Spannung an den Ausgängen der oben genannten Emitterfolger Null, sodass die Transistoren VT16 und VT21 geöffnet und alle anderen geschlossen sind. Wenn ein Impuls an den Gates VT15 und VT20 ankommt, öffnen diese Transistoren sowie VT17. Wenn ein Impuls an den Gates VT18 und VT22 ankommt, öffnen diese Transistoren sowie VT19. Dadurch entstehen am Ausgang der Brücke rechteckige mehrpolige Spannungsimpulse mit einer Schwingung von 620 V und einem Effektivwert von 220 V, getrennt durch Pausen. Da die Steuerimpulse durch Pausen getrennt sind, entsteht das Auftreten von Durchgängen Strom durch die in Reihe geschalteten Transistoren der Brücke ist ausgeschlossen.
Manche Verbraucher benötigen eine sinusförmige Wechselspannung. In diesem Fall wird die Niederfrequenzgeneratorbaugruppe (siehe Abb. 3) durch eine andere ersetzt, deren Diagramm in Abb. dargestellt ist. 5. Dieser Block verwendet einen Sinusspannungsgenerator mit einer Frequenz von 50 Hz am Operationsverstärker DA4.1, einen Phasenwechselrichter am Operationsverstärker DA4.2, zwei Integrationsschaltungen R44C25 und R49C30 sowie zwei Emitterfolger VT23 VT24, VT25 VT26 und zwei Addierer an den Widerständen R50R52R54 und R51R55R57.
Die positive Halbwelle der Sinusspannung vom Ausgang des OUDA4.1 über die Diode VD21 wird dem Addierer R51R55R57 zugeführt. Die positive Halbwelle vom Ausgang des Phasenwechselrichters DA4.2 wird über die VD20-Diode dem Addierer R50R52R54 zugeführt. Von den Ausgängen der Addierer wird die Spannung über die Widerstände R53 und R56 dem Eingang der Impulsformer DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2 zugeführt. Den Eingängen der Integrierschaltungen werden Rechteckimpulse zugeführt, an den Kondensatoren C25 und C30 werden Sägezahnimpulse gebildet, die über die Kondensatoren C26 und C31 den Eingängen zweier Impulsformer zugeführt werden. Spannungsdiagramme in Abb. Abb. 6 zeigt, wie die Impulse an den Eingängen der Shaper über eine Frequenzperiode von 50 Hz aufsummiert werden. Um die Form der Pulse deutlich darzustellen, wird die Hochfrequenz-Füllperiode (27 kHz) verlängert. In Abb. 6,a - Spannung an Pin 8 des DD5-Chips; in Abb. 6, b - an Pin 8 des DD6-Chips. Dadurch entstehen an den Ausgängen der Shaper Pulsfolgen mit einer sinusförmigen PWM-Frequenz von 50 Hz: in Abb. 6,c - am Ausgang DD5,2; in Abb. 6,g - am Ausgang von DD6.2. Am Ausgang des „~220 V“-Wandlers wird ein bipolares PWM-Signal mit einem Hub von 620 V erzeugt, dessen Form in Abb. 6, d. Um die Komponente mit einer Frequenz von 27 kHz in der Ausgangsspannung zu unterdrücken, müssen Sie die Induktivität in Reihe mit der Last und einen Kondensator parallel zur Last einschalten. Diese Elemente werden experimentell für jede Last ausgewählt. Beispielsweise erfordert eine 100-W-Last (ihr Widerstand beträgt 484 Ohm) einen Filter mit einer Induktivität von 0,13 H und einem Kondensator von 0,56 μF. Bei einem anderen Lastwiderstand wird die Induktivität der Induktivität direkt proportional neu berechnet und die Kapazität des Kondensators ist umgekehrt proportional zum Lastwiderstand. Alle Teile des Konverters sind in einem Aluminiumblechgehäuse untergebracht. Die Transistoren VT6-VT9, VT17-VT20 werden mit Wärmeleitpaste und Glimmerdichtungen am Gehäuse befestigt. IRFIZ44N-Transistoren (VT15 und VT22) werden ohne Dichtungen eingebaut, da ihre Gehäuse vollständig isoliert sind. Sie können durch IRFZ44N ersetzt werden, müssen dann aber über Glimmer-Abstandshalter installiert werden.
Der Computer-Netzteillüfter mit einem 1-W-M3-Elektromotor bläst ständig Luft durch das Gehäuse, um die Teile zu kühlen. Um den Energieverbrauch bei Lasten mit geringer Leistung zu reduzieren, kann der Lüfter mit dem Schalter SA1 ausgeschaltet werden. Der Transformator T1 ist auf vier zusammengefaltete Magnetkerne eines TVS-110-Leitungstransformators gewickelt, wie in Abb. 7. Die Zahlen geben an: 1 - Wickeldraht; 2 - Magnetkreis; 3 - Klemme zum Festziehen des Magnetkreises. Die Primärwicklungen (I und II) enthalten vier Abschnitte mit drei Drahtwindungen mit einem Querschnitt von 5 mm2 (zwei zusammengefaltete 2,5 mm2-Montagedrähte). Die Sekundärwicklung (III) enthält zwei Abschnitte mit je 11 Windungen Montagedraht mit einem Querschnitt von 1,5 mm2. Die Windungen der Wicklungen müssen gleichmäßig über die Länge des Magnetkerns verteilt sein und die Wicklungen müssen einlagig sein. Die restlichen Elemente werden durch Aufputzmontage auf zwei separaten Platinen montiert. Eine Tafel mit den in Abb. gezeigten Elementen. 1, befindet sich in unmittelbarer Nähe der Tastentransistoren (siehe Abb. 2). Eine Tafel mit den in Abb. gezeigten Elementen. 3, - neben den Transistoren des Brücken-Niederfrequenz-Wechselrichterschalters (siehe Abb. 4). Es empfiehlt sich, einen importierten Oxidkondensator C6 aus der Kategorie „Low ESR“ zu verwenden, zum Beispiel Jamicon WL oder ähnliches. Sonst wird es heiß. Die Gleichrichterkondensatoren C7-C10 müssen eine ausreichend große zulässige Blindleistung haben. Das Gerät verwendet MBGCH-Kondensatoren. Parallel dazu ist jeweils ein nichtinduktionsfähiger Keramikkondensator KM-3 der Gruppe N30 mit einer Kapazität von 0,022 μF und einer Nennspannung von 250 V geschaltet. Trimmerwiderstände stammen aus der SP3-1b-Serie. Vor dem Einbau muss die Funktionsfähigkeit des beweglichen Kontaktsystems überprüft werden. Das Relais K1 darf eine Betriebsspannung von maximal 10 V haben. Der Autor verwendete das Relais RES59 (Version HP4.500.020). Verwenden Sie beim Aufbau anstelle einer Batterie eine Laborstromquelle mit einer einstellbaren Ausgangsspannung von 10.13 V. Am Eingang des Wandlers liegt eine Spannung von 10,5 V an und der Widerstand R3 dient zum Abschalten des Relais K1. Anschließend wird die Eingangsspannung auf 12 V erhöht. Durch Auswahl der Widerstände R1 und R2 (siehe Abb. 1) wird an den Pins 18,5 und 3 der DD4-Mikroschaltung die gleiche Impulsdauer von 1 μs eingestellt. Durch die Wahl der Widerstände R4 und R5 wird die Pausendauer zwischen diesen Impulsen auf 5 μs eingestellt. Der Treiber des Trimmwiderstands R11 ist eine Spannung von +305 V bei einer Lastleistung von 60 W am Ausgang des Gleichrichters VD6-VD9C7-C10 (siehe Abb. 2). Durch die Auswahl der Widerstände R16 und R17 (Abb. 3) wird an den Pins 10 und 3 der DD4-Mikroschaltung die gleiche Impulsdauer von 3 ms eingestellt. Durch die Wahl der Widerstände R20 und R21 beträgt die Pausendauer zwischen diesen Impulsen 6 ms. Der Block, dessen Diagramm in Abb. dargestellt ist. 5, richten Sie es so ein. Bewegen Sie den Schieber des Abstimmwiderstands R39 im Stromkreis nach unten, sodass der Generator am Operationsverstärker DA4.1 nicht mehr funktioniert. Durch Auswahl der Kondensatoren C25 und C30 wird der Sägezahnspannungshub an ihnen auf 4 V eingestellt. Ersetzen Sie die Dauerwiderstände R52 und R55 vorübergehend durch 15-kOhm-Trimmer, die als Rheostaten geschaltet sind. Zunächst wird ihr Widerstand sanft vom Maximum reduziert, bis am Ausgang der Emitterfolger Impulse erscheinen, und dann erhöht, bis sie verschwinden. Messen Sie den Widerstand des eingeführten Teils der Trimmwiderstände mit einem digitalen Ohmmeter und ersetzen Sie ihn durch Konstanten mit demselben Widerstand. Bewegen Sie anschließend den Schieber des Trimmwiderstands R39 im Stromkreis nach oben und stellen Sie die Spannungsamplitude am Generatorausgang auf 4 V ein. In diesem Fall sollte die Ausgangsspannung die Form einer leicht abgestumpften Sinuskurve haben. Bei Bedarf müssen Sie durch Auswahl der Kondensatoren C18 und C22 die Erzeugungsfrequenz auf 50 Hz einstellen. Wenn man dann die Widerstände R50 und R51 wählt, beträgt die Amplitude der Halbwelle 4 V an den Widerständen R54 und R57. Um den Betrieb des Generators am Operationsverstärker DA4.1 zu verbessern, kann es erforderlich sein, einen 47-pF-Kondensator zwischen dem rechten Anschluss des Widerstands R40 und dem gemeinsamen Draht einzubauen. Die Stromquellen des Konverters können Auto-Starterbatterien, das Bordnetz des Autos, Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge, Sonnenkollektoren, Wind- oder Wassergeneratoren sein. Bei Bedarf kann die Versorgungsspannung verdoppelt werden. Dazu müssen die Primärwicklungen (I und II) des Transformators T1 vier Abschnitte mit je sechs Windungen Montagedraht mit einem Querschnitt von 2,5 mm2 enthalten. Der Autor verwendet einen selbstgebauten Gasgenerator aus einer Ural-Kettensäge und einen Elektrogenerator mit einer Ausgangsspannung von 12 V und einer Leistung von 1 kW von einem T-150-Traktor, die über einen Keilriemenantrieb miteinander verbunden sind. Im Hinblick auf das Verhältnis von Leistung zu Gewicht übertrifft dieser Gasgenerator viele Industriedesigns. Sein geringes Gewicht und seine Abmessungen ermöglichen es, es mit auf die Straße zu nehmen und bei Bedarf die Autobatterie im Feld aufzuladen. Ein Spannungswandler versorgt jedes Gerät mit einer Leistung von bis zu 1 kW. Literatur
Autor: A. Sergejew
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