Источник питания на двухбазовом диоде.

В статье рассматриваются принципы построения обратноходового импульсного источника питания для зарядки автомобильных аккумуляторов с использованием инвертора состоящего из генератора на 2-хбазовом диоде (однопереходном транзисторе) и мощного транзисторного ключа.

Введение: Конструирование источников питания на силовых трансформаторах прекратилась ещё в прошлом веке, ввиду больших габаритов и массы, и потерями электроэнергии на нагрев стабилизирующих элементов.

Разработка мощных высокочастотных транзисторов привела к их использованию в лёгких малогабаритных источниках тока. Применение ферритовых высокочастотных трансформаторов позволяют выполнить инвертирование энергии в нагрузку на частотах — соизмеримых с длиной радиоволн.

Трёхфазный генератор переменного тока автомобиля при выпрямлении и стабилизации выходного напряжения не имеет циклической составляющей с определённой скважностью для импульсного режима восстановления аккумулятора, возможно это боязнь повредить электронную начинку автомобиля, аккумулятор в автомобилях заряжается без снятия крупнокристаллической сульфатации, что приводит его к преждевременному износу. Помехи импульсных источников питания легко устраняются введением сетевых 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 подаётся 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 подаётся на нагрузку.

В обратноходовых инверторах (1), в период замкнутого состояния транзисторного ключа, идёт 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, запасённая 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 резистивной нагрузкой.

Дополнительное действие оказывает отрицательная обратная связь с эмиттера ключевого транзистора на его базу через параллельный стабилизатор- такое 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 подаётся в нагрузку. Для защиты транзисторного ключа в электронную схему вводятся элементы защиты 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 2-хполярного тока.

Управление почти всей мощностью преобразования одним транзистором требует выполнение некоторых условий его безаварийной работы (2):
1. Ограничение базовых и коллекторных токов до допустимых пределов.
2. Отсутствие дефектов в электронных компонентах.
3. Правильно рассчитанный трансформатор.
4. Устранение возможного пробоя импульсными напряжениями преобразователя.
5. Снижение перегрева ключевого транзистора.
6. Переключение ключевого транзистора до момента насыщения магнитопровода.

Источником высокочастотных электромагнитных помех (3) является паразитный высокочастотный резонанс контура, образованного индуктивностью рассеивания и выходной ёмкостью 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 ёмкость трансформатора, правильно выбрать транзисторный ключ и элементы кламперной цепи, подавляющей выброс обратного напряжения.

В схему инвертора входят:
1. Сетевой высоковольтный выпрямитель с фильтрами помех преобразования.
2. Элементы ограничения тока заряда конденсаторов сетевого фильтра.
3. Элементы защиты от импульсных помех высокого уровня.
4. Цепи преобразования вторичного напряжения.
5. Элементы индикации преобразования.
6. Формирователь импульсов запуска на однопереходном транзисторе VT1.
7. Блокинг – генератор на транзисторе VT2.
8. Элементы защиты от предельных токов силового ключа.
9. Параметрический стабилизатор напряжения питания генератора.
10. Элементы стабилизации выходного напряжения.

Характеристики транзисторного инвертора:
Напряжение сети 220Вольт
Вторичное напряжение 13,8 Вольт
Ток заряда максимальный 10Ампер
Ёмкость аккумулятора 24-120 А/час
Ток восстановления аккумулятора 0,05С 1,2-6 ампер
Время восстановления 3-5 часов.
Потребляемая мощность 160ватт.
Частота преобразования 23кГц

Описание принципиальной схемы:
В состав принципиальной схемы 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 2-хобмоточном дросселе T2 с конденсаторами С7, С8,С10 для подавления нессиметричных помех.

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

Ограничение зарядного тока конденсатора фильтра C4 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 – VD2C5R11 и C6R13.

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 высоковольтных импульсных помех в цепях питания инвертора.

Формирователь импульсов запуска инвертора выполнен на 2-хбазовом диоде (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 C4 через обмотку 1Т1 поступает на коллектор транзистора VT2 инвертора. Зарядно-разрядный цикл конденсатора C1 создаёт на резисторе R4 последовательность импульсов с частотой зависящей от сопротивления резисторов R1,R2 и конденсатора С1.

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 ампер.
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 создаёт на вторичной обмотке 3Т2 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 С3 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 приведёт к снижению энергии в сердечнике трансформатора, вплоть до форсированной остановки режима автоколебаний.

Напряжение отсечки тока транзистора VT2 корректируется резистором R10. После устранения сбоя произойдёт 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 16 вольт мощность трансформатора составит 160 ватт. С учётом действия тока заряда на аккумулятор для его восстановления достаточно мощности не более 100 ватт.
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 в (6).

Примерные данные трансформатора Т1: Б26М1000 с зазором в центральном стержне 1-56 витков ПЭВ-2 0,51, 2 — четыре витка ПЭВ2 0,18, 3– 14 витков ПЭВ-2 0,31*3.

Наладку схемы начинают с проверки платы печатного монтажа, в цепь разрыва сетевого питания включают лампочку 220 вольт любой мощности, вместо нагрузки лампочку от автомобиля 12 вольт 20свечей. 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 в нагрузке, можно поднять или понизить резисторами 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 районе 5-6 мА.

При наличии осциллографа удобно проверить работу генератора на транзисторе VT1 с временной подачей на инвертор напряжения питания 30-50 вольт,частоту генератора можно изменить резистором R1 или конденсатором C1.

При слабой обратной связи (велико значение сопротивления резистора R5) или неверном подключении обмотки 2Т2 в режиме блокинг-генератора транзистора VT2 может отключиться от кратковременной перегрузки и не работать,повторный запуск произойдёт 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.
Используемая литература:
1. С.Косенко Особенности работы индуктивных элементов в однотактных преобразователях. Радио,№7,2005,с.30-32.
2. В.Старков. Диагностика и ремонт строчной развёртки мониторов. Радиодело, №10-11, 2006г., с.74-82.
3. Владимир 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 3УСЦТ. Радио и связь,1989г.,с.80.
6. А.Петров. Индуктивности, дроссели, трансформаторы. Радиолюбитель №1/96 с.13-14.