Poderoso conversor de tensão de 24/12 volts com alta eficiência. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Quase todos os equipamentos automotivos (gravadores de rádio, TVs, geladeiras e até retroiluminação!) são projetados para 12 V ±2...3 V e quando conectados diretamente a uma rede de 24 V eles falham instantaneamente.

A saída mais simples é alimentar os dispositivos de forma mais ou menos simétrica com as “metades” de uma bateria padrão (por exemplo, um rádio com uma bateria de 12 volts e uma TV com essa), mas a simetria completa não pode ser alcançada em neste caso; como resultado, uma das baterias será constantemente recarregada e a outra será subcarregada. e como resultado, a vida útil de ambas as baterias diminuirá drasticamente. Portanto, a única saída é diminuir o conversor de tensão necessário para tal equipamento para os 12 V. Para um auto-rádio moderno no volume máximo, é necessária uma corrente de 2...4 A, para uma TV LCD - cerca de 1 A. , portanto, levando em consideração a reserva, a corrente de saída do conversor deve estar na região de 5...10 A. Neste caso, o aquecimento dos elementos de potência do circuito deve ser mínimo (ou seja, a eficiência é o máximo possível), uma vez que os equipamentos automotivos são frequentemente operados em climas quentes e ficam muito quentes.

Um diagrama de tal conversor é mostrado na fig. 1.11.

Um gerador de clock é montado no temporizador DD1.1, seus pulsos curtos do pino 5 acionam o modulador PWM no temporizador DD1.2. Devido às características internas do microcircuito 555, a duração dos pulsos de disparo na entrada S deve ser a mais curta possível, para que o gerador em DD1.1 seja assimétrico - a resistência do resistor R1 (através do qual o capacitor C1 é descarregado) é centenas de vezes menor que a resistência de R2. Na maioria dos casos, os pinos R1 geralmente podem estar em curto-circuito, mas é melhor não arriscar e soldar um resistor de baixa resistência (100...330 Ohms).

Arroz. 1.11. Diagrama elétrico do conversor (clique para ampliar)

Princípio de funcionamento do aparelho

O modulador é montado no temporizador DD1.2 de acordo com o esquema usual: quando a tensão na entrada REF diminui, a duração dos pulsos únicos (com período constante) na saída diminui, ou seja, a tensão de saída diminui. O termistor R4 fornece proteção contra superaquecimento quando o dissipador de calor dos transistores principais aquece acima de 80...100°C; sua resistência diminui abaixo do limite de comutação do microcircuito na entrada RES (1.0 V) e um zero lógico é forçado na entrada RES. saída do microcircuito até que os transistores esfriem. Neste caso, ambos os transistores principais são fechados e a tensão de saída desaparece.

O microcircuito possui uma pequena histerese de comutação (cerca de 40 mV) na entrada RES, portanto, com contato térmico confiável do termistor com o radiador, não há salto de comutação; Para proteção adicional contra interferências, um capacitor C3 foi adicionado ao circuito, é aconselhável aumentar sua capacidade para centenas de microfarads.

O microcircuito IR2103 (DD2) foi selecionado como driver dos transistores de potência. Para este dispositivo, este microcircuito é ideal em todos os aspectos e ao mesmo tempo tem um custo não muito alto. Uma de suas entradas é direta, a segunda é inversa; isso nos permitiu economizar em um inversor externo.

O microcircuito possui lógica embutida que impede o desbloqueio simultâneo de ambos os transistores (através de correntes), e um gerador de pausa (“tempo morto”, tempo morto) entre pulsos nas saídas; isso possibilitou reduzir o número de elementos externos ao mínimo e não ter que criar proteção em elementos lógicos adicionais. Além disso, o microcircuito possui saídas poderosas o suficiente para controlar diretamente os transistores de efeito de campo de saída, o que economiza 4 transistores externos nos seguidores do emissor e o “destaque” do microcircuito - a tensão “flutuante” do nível superior (a diferença de tensão pode atingir 600 V!) com isolamento elétrico completo dentro do próprio microcircuito. Sem esse “truque”, o circuito teria que ser muito complicado com a introdução de um optoacoplador de alta velocidade (e caro) e mais uma dúzia de elementos.

O microcircuito é conectado conforme circuito padrão, os pinos 2 e 3 podem ser conectados entre si, mas é melhor deixar o circuito R6 C4 para o correto funcionamento do conversor quando a proteção térmica for acionada. Caso contrário, nesta situação, o transistor de nível inferior estará constantemente aberto e causará curto-circuito na saída. Pino Vs - fio comum da parte de alta tensão (isolada), pino V, seu pino de alimentação (+10...+20 V). Neste circuito, o transistor na parte inferior do circuito (VT2) ainda está aberto, Vs está conectado ao fio comum e o capacitor C5 é carregado através do diodo VD1 quase até a tensão de alimentação. Depois de algum tempo, o VT2 fechará, mas a carga do capacitor C5 permanecerá, pois a corrente de fuga é extremamente pequena. Quando um lógico é recebido na entrada HIN, a saída NO é conectada por um transistor interno ao terminal V, ou seja, o capacitor carrega a porta do transistor VT1, e ela abre. A corrente de fuga da porta do transistor é extremamente pequena e sua capacitância é centenas de vezes menor que a capacitância de C5, então o transistor é ligado até a saturação e a eficiência do circuito é a mais alta possível. No próximo ciclo, o C5 é recarregado novamente.

O regulador de tensão é montado no transistor VT3. Assim que a tensão de saída exceder 12 V, a corrente fluirá através do diodo zener VD2, o transistor abrirá ligeiramente e diminuirá a tensão na entrada REF do modulador. A duração dos pulsos únicos será ligeiramente mais curta e ocorrerá equilíbrio dinâmico. Os capacitores C7 ou C8 são necessários para suprimir o ruído do diodo zener e do transistor; apenas um desses capacitores precisa ser soldado! Qual é selecionado durante a configuração, pois depende da instalação e dos elementos utilizados. Sem capacitores, haverá ruído na saída de tensão CC (e você ouvirá a bobina fazendo barulho), e a eficiência diminuirá ligeiramente devido ao aquecimento dos transistores, mas se ambos os capacitores estiverem soldados, o circuito será excitado . A resistência do resistor R12 limita o ganho do circuito de feedback; quanto maior for, mais instável o conversor opera. Com o valor do resistor especificado, a tensão de saída, dependendo da corrente de carga, muda em não mais que 0.3...0,5 V, o que é suficiente para tal conversor. Ao usar transistores com coeficiente h inferior, a resistência do resistor R12 pode ser reduzida para 2...10 kOhm.

Os fios de alimentação do conversor devem ser conectados diretamente à bateria. Caso contrário (se conectado após a chave de ignição), o sistema de ignição e demais equipamentos elétricos do carro irão interferir no conversor; além disso, ele próprio estará lá.

afetam a eletrônica do carro e isso, em alguns casos, pode ser perigoso. Como o conversor consome alguma corrente inativa mesmo quando a carga está desligada (este circuito tem aproximadamente 30...50 mA), uma chave nos transistores VT4, VT5 foi adicionada ao circuito. Ele comuta energia apenas para o circuito de controle de baixa potência; os transistores de saída são conectados diretamente à bateria, portanto não há perda de energia na seção de potência. Quando uma tensão acima de 5 V é aplicada à “entrada de controle” (esta entrada pode ser conectada à chave de ignição ou conectada a +24 V por qualquer chave de baixa potência), o transistor VT4 abre, destrava o transistor VT5 e fornece tensão ao Chip estabilizador DA1.

Dois transistores são usados ​​para permitir que o circuito seja acionado com tensão positiva; o capacitor C10 suaviza o salto do contato. Não há feedback positivo para garantir o modo de operação chave da chave, mas não é necessário; o ganho dos dois transistores é tão grande (dezenas de milhares) que o circuito sempre opera no modo chave.

O resistor R13 protege o circuito conversor de falhas devido a curtos-circuitos acidentais na caixa e também diminui a tensão de entrada, reduzindo o aquecimento do estabilizador DA1.

Se não houver tensão na “entrada de controle”, todos os microcircuitos são desenergizados, no microcircuito DD2 os pinos 4 e 5, 6 e 7 são conectados por resistores internos de pequena resistência e ambos os transistores principais são fechados. O consumo de corrente neste modo é determinado principalmente pela corrente de fuga dos capacitores de filtro C9 e não excede centenas de microamperes.

Para simplificar os gráficos, a fiação do circuito da fonte de alimentação não é mostrada na figura; este circuito é tão sensível quanto os discutidos anteriormente. A saída comum do resistor R11 é conectada ao capacitor C6, os elementos de feedback à esquerda (conforme diagrama) do resistor R12 são conectados ao pino 14 do DD1.

É aconselhável selecionar os capacitores de filtro C6 e C9 entre dois ou três capacitores conectados em paralelo de menor capacidade. Ao operar em corrente nominal, estes capacitores devem permanecer frios meia hora após ligar o conversor; eles não devem aquecer mais que 5...10°C. Faz sentido tentar usar capacitores de fabricantes diferentes; em qualquer caso, quanto maior o tamanho do corpo do capacitor para a mesma capacitância e tensão, melhor funcionará.

Em um conversor devidamente montado, com corrente de carga de 3.4 A, o aquecimento das carcaças dos transistores VT1 e VT2 não ultrapassa 50...70°C mesmo sem radiadores. Portanto, ao operar com tal corrente, pequenas placas dissipadoras de calor medindo 30x50 mm para cada transistor serão suficientes; elas não devem se tocar! Ao trabalhar com corrente de carga de até 10 A, são necessários radiadores mais sérios, pelo menos um radiador de agulha com dimensões de 50x100 mm (para ambos os transistores os transistores precisam ser isolados dele, para isso é conveniente usar um kit de montagem de fontes de alimentação de computadores antigos), ou você pode fixá-lo na base da placa metálica do gabinete do conversor, colocar os transistores nele e pressionar a base do gabinete contra qualquer peça de hardware no corpo da máquina que não aqueça durante a operação, mais próximo das baterias. Neste caso é necessário garantir um bom contato térmico, limpar ambas as superfícies, sendo aconselhável utilizar pasta condutora de calor.

Sobre detalhes

A bobina L1 na versão do autor é feita em um núcleo blindado (copos) com diâmetro de 48 e altura de 30 mm, duas camadas de papel jornal são colocadas entre as metades do núcleo.

O enrolamento é enrolado em dois fios de transformador conectados em paralelo com diâmetro de 1,5 mm, número de voltas para preencher a moldura (aproximadamente 24...30). Essa bobina permaneceu fria com uma corrente de carga constante de 7 A. Com uma corrente de carga de até 3...5 A, você pode pegar 2-3 anéis K50x40x10 e enrolar 40...50 voltas com um fio com diâmetro de cerca de 1 mm em 2...4 fios.

Ou você pode usar qualquer outro núcleo de ferrite para conversores de pulso, aproximadamente do mesmo tamanho e de preferência dividido.

Em vez do microcircuito NE556, você pode usar dois microcircuitos 555 ou sua cópia doméstica KR1006VI1, em vez de transistores, BC817 você pode usar KT3102B, e em vez de BC807 - KT3107B. O capacitor C5 deve ser de baixo ESR, ou seja, filme ou cerâmica, e o diodo VD1 deve ser de ação rápida, com baixa capacitância e tempo de recuperação reversa.

Como último recurso, você pode conectar em paralelo um capacitor eletrolítico com capacidade de 1 μF e um capacitor cerâmico multicamadas (mas não de disco!) com capacidade de 0...1 μF e substituir o diodo por um KD521 ou similar. Caso contrário, o transistor VT1 ficará muito quente. É aconselhável usar transistores de efeito de campo VT1 e VT2 com resistência de canal aberto não superior a 0,03 Ohm, na versão do autor foi utilizado o KP723A - análogos do IRFZ46N.

Para correntes de carga de até 5 A, é melhor usar transistores duplos e de maior frequência IRFI4024H - eles são fabricados em um pacote isolado TO220-5 (ou seja, não há necessidade de isolar seu gabinete do dissipador de calor) e são capaz de operar junto com o driver IR2103 em frequências de até 200...500 kHz (contra 30...70 kHz para IRFZ46 e similares).

O termistor R4 pode ser qualquer um de tamanho pequeno (para que aqueça mais rápido em caso de acidente), com resistência em temperatura ambiente acima de 5 kOhm.

A proteção térmica deve ser calibrada antes do uso. Fazemos assim: soldamos os fios nos terminais do termistor, colocamos em vários sacos fortes aninhados uns dentro dos outros e colocamos em água fervente. Depois de um minuto, medimos a resistência do termistor (é preciso ter certeza de que não entra água ou vapor nos sacos), multiplique esse número por 12...15 - essa deve ser a resistência do resistor R3. para que a proteção térmica funcione a uma temperatura de 80...100°C.

O termistor deve ser montado no radiador o mais próximo possível dos transistores, lubrificando cuidadosamente a área de contato com pasta condutora de calor e cuidando, se necessário, do isolamento elétrico.

Além disso, às vezes você precisa selecionar a resistência do resistor R8 - deve ser tal que quando os terminais do capacitor C3 estiverem em curto-circuito, haja tensão zero no pino 5 do DD2.

Características do estabelecimento

Graças à lógica de proteção integrada no chip DD2, o conversor pode ser ligado pela primeira vez com os transistores chave VT1 e VT2 soldados, mas apenas por precaução (de repente as trilhas são roteadas incorretamente), “+” do a bateria é alimentada através de uma lâmpada de 24 V, 1...2 A. Capacitores Não soldamos C7 e C8. Como carga, conectamos duas lâmpadas conectadas em série de uma guirlanda de árvore de Natal (12 V, 0,16 A) à saída do aparelho. Durante a operação normal do conversor, essas lâmpadas devem estar acesas (a tensão na saída do conversor deve ser de cerca de 12 V, mas superior a 6...8 V e inferior a 15 V), a lâmpada de alimentação não deve acender, o a corrente que flui através dele não deve exceder 200 mA. Ao mesmo tempo, verificamos o correto funcionamento do interruptor, embora nunca necessite de ajustes se instalado corretamente e em bom estado de funcionamento, e garantimos que o consumo de corrente no modo “desligado” não exceda 1 mA.

Se for maior, soldamos os capacitores C9 e repetimos a medição: se diminuiu, instalamos capacitores melhores; se permanecer inalterado, soldamos os mesmos capacitores e soldamos um resistor com resistência de 10 kOhm entre a porta e a fonte terminais de ambos os resistores de campo.

Durante a operação, o conversor não deve apitar, se houver som é necessário aumentar a frequência de operação reduzindo a capacitância dos capacitores C1 e C2. Se mesmo com capacitâncias de 200 pF o ruído de alta frequência não desaparecer, provavelmente o circuito está excitado.

Após isso desligamos a carga e medimos a corrente consumida pelo circuito, que deve estar na faixa de 40...70 mA. Se for muito maior, significa que a indutância da bobina L1 é insuficiente e é necessário aumentar a frequência de operação (se o circuito já opera em frequência ultrassônica (inaudível), é melhor não fazer isso!), ou enrole mais dez ou duas voltas na bobina.

A seguir, em vez de uma lâmpada no circuito de potência, ligamos um amperímetro com limite de medição superior a 5 A e conectamos uma lâmpada com consumo de corrente de 2...4 A à saída (ou seja, sua potência é de 24...48 W). A corrente consumida pelo circuito da bateria deve ser aproximadamente 2 vezes menor que a corrente que passa pela lâmpada, ambos os transistores de efeito de campo sem radiadores não devem aquecer (com corrente de carga de 2 A) ou na corrente máxima devem aquecer lentamente até cerca de 50...70 ° C.

Além disso, a temperatura de ambos os transistores deve ser aproximadamente a mesma.

Se o VT2 aquecer visivelmente mais que o VT1, você precisa ter certeza de que há um sinal em seu portão usando um LED conectado em série e um resistor com resistência de 1...10 kOhm, e conectá-los entre o fio comum e o porta do transistor. Se o LED brilhar muito mais fraco do que na porta VT1, ou não acender, é necessário aumentar a capacitância do capacitor C4.

Como não há proteção de corrente (contra curto-circuito) no circuito, a carga deve ser conectada através de um fusível de 5...10 A. Pode ser colocado na caixa de fusíveis do carro ou na carcaça (no fio positivo) do o conversor.

Com corrente de carga de 5 A, os fios da bateria devem ter seção transversal superior a 1 mm (cobre), os fios da carga devem ter mais de 1,5 mm e em correntes mais altas os fios devem ser mais grossos.

Usando transistores mais potentes com menor resistência do canal, a corrente de saída com o mesmo aquecimento do circuito pode ser aumentada várias vezes, mas então o chip do driver precisará ser substituído. O IR2103 “mal consegue lidar” com transistores IRFZ46 e pode simplesmente não ser capaz de lidar com transistores mais potentes. Um substituto ideal é o microcircuito IR2183 - um análogo completo em termos de características, pinagem e tipo de caixa, mas com corrente de saída de até 1,7 A. Deve ser simplesmente soldado no lugar do IR2103, sem nenhuma alteração na placa. Neste caso, é aconselhável aumentar várias vezes a capacitância do capacitor C5 (pelo menos 1 μF); deve ser filme.

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

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