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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Poderoso conversor de tensão DC estabilizado para alimentar equipamentos de rede. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Conversores de tensão, retificadores, inversores O dispositivo proposto é projetado para alimentar equipamentos operando em rede 220 V 50 Hz em condições de campo, bem como durante um desligamento de emergência da rede CA. O conversor possui um design de bloco. Fornece à carga uma tensão contínua estabilizada de 310 V ou uma tensão de pulso alternada de mesma amplitude com valor efetivo de 220 V. Adicionar um filtro LC permite obter uma tensão alternada de 220 V em formato senoidal. Os aparelhos elétricos são amplamente utilizados na vida cotidiana das pessoas modernas. Na esmagadora maioria, a fonte de energia para eles é uma rede de corrente alternada com tensão de 220 V. Ao mesmo tempo, o fornecimento de energia em muitas áreas do nosso país não é altamente confiável. Muitos artigos foram publicados na literatura de rádio amador sobre conversores de tensão CC da bateria em tensão CA, adequados para alimentar consumidores durante períodos sem tensão na rede. Eles podem operar com base no princípio de conversão de baixa frequência [1-4] ou alta frequência [5, 6]. Cada um desses tipos de conversores possui características próprias. Os de baixa frequência possuem grande massa e dimensões devido ao uso de um transformador de baixa frequência. No conversor [3], apenas o valor médio retificado da tensão de saída é estabilizado, mas a amplitude e os valores efetivos não são estabilizados, o que pode levar em alguns casos a danos nas cargas energizadas. O conversor [4] utiliza regulação gradual da tensão de saída sem feedback, o que não fornece alta estabilidade da tensão de saída. Conversores operando em frequências ultrassônicas (dezenas de quilohertz) [5, 6] são melhores em termos de peso e tamanho, mas sua potência de saída não excede 300 W. O autor precisava alimentar cargas de maior potência. Ao desenvolver o dispositivo proposto, o autor tentou manter as vantagens da conversão de alta frequência e aumentar a potência de saída para 1 kW. Principais características técnicas (à temperatura ambiente 13...20 °C)
O conversor consiste em quatro blocos: um gerador de alta frequência, cujo circuito é mostrado na Fig. 1, um inversor de alta frequência com um multiplicador de tensão retificador (Fig. 2), um gerador de baixa frequência (Fig. 3) e um inversor-chave ponte de baixa frequência (Fig. 4).
O bloco gerador de alta frequência (ver Fig. 1) contém uma unidade de controle de tensão de entrada no transistor VT1 e relé K1, um estabilizador de tensão de alimentação interna de 9 V no chip DA1, um gerador de pulso com frequência de 27 kHz em elementos lógicos DD1.1 .1.2 e DD 4, unidades de atraso com frentes de pulso nos elementos VD4, R2, C5 e VD5, R3, C1.3, modeladores de pulso de controle nos elementos DD1.4, DD2.3, DD2.4, DD2 com seguidores de emissor de saída em transistores VT5-VT2.1, tensão da unidade de controle de amplitude de saída nos elementos DD2.2, DDXNUMX.
A unidade inversora de alta frequência (ver Fig. 2) contém uma cascata push-pull em poderosos transistores de efeito de campo VT6-VT9 e transformador T1, bem como um retificador com quadruplicação de tensão em diodos VD6-VD9 e capacitores C7-C10. Esta unidade gera uma tensão constante estabilizada de 300.310 V. Se for conhecido que a tensão de alimentação alternada é retificada e suavizada na carga, então tal carga pode ser conectada a esta unidade através de um fusível com corrente nominal de 5 A (ver nota editorial ao artigo [5]). Neste caso, os blocos restantes não são necessários.
O bloco gerador de baixa frequência (ver Fig. 3) contém um estabilizador de tensão de alimentação interna de 9 V no chip DA2, um gerador de pulsos com frequência de 50 Hz nos elementos lógicos DD3.1 e DD3.2, resistores limitadores de corrente R18 e R19, e unidades de atraso de borda de pulso nos elementos VD12, R20, C14 e VD13, R21, C15, controlam modeladores de pulso nos elementos DD3.3, DD3.4, DD4.3, DD4.4 com seguidores de emissor de saída nos transistores VT11 -VT14, limitador de corrente de carga no transistor VT10 e elementos DD4.1 .4.2, DDXNUMX.
A ponte inversor-comutador de baixa frequência (Fig. 4) contém uma ponte em poderosos transistores de efeito de campo chave VT17-VT20 e um sensor de corrente - resistor R33. Os pulsos de controle são fornecidos diretamente às portas dos transistores inferiores VT18 e VT20, e às portas dos transistores superiores VT17 e VT19 através dos inversores superiores. Um inversor é montado nos elementos VT15,VT16, R30, R31, C16, VD14, VD15, o segundo - em VT21, VT22, R35, R36, C17, VD16, VD17. Uma tensão constante de 310 V é fornecida a uma diagonal da ponte e uma carga é conectada à outra através do fusível FU1. O conversor funciona assim. Se a tensão da bateria de alimentação for superior a 10,5 V, o transistor VT1 abre, o relé K1 é acionado e através de seus contatos K1.1 a tensão de alimentação é fornecida aos estabilizadores de tensão nos microcircuitos DA1 e DA2. Quando a tensão da bateria cai abaixo de 10,5 V, o transistor VT1 fecha, os contatos K1.1 abrem e desligam a energia dos geradores, como resultado todos os transistores chaveadores VT6-VT9 são fechados e o conversor é desligado. A tensão de ativação é regulada pelo resistor de corte R3. Devido ao fato da tensão de ligação do relé eletromagnético K1 ser maior que a tensão de desligamento, a característica do nó no transistor VT1 possui uma pequena histerese, suficiente para uso prático. A frequência de oscilação do gerador nos elementos DD1.1 e DD1.2 depende da resistência dos resistores R1, R2 e da capacitância do capacitor C1. A partir das saídas antifásicas do gerador (pinos 3 e 4 do microcircuito DD1), os pulsos são fornecidos aos nós de retardo de borda de pulso. Além disso, as suas descidas são transmitidas quase sem demora. O tempo de atraso das bordas dos pulsos é determinado pelas constantes de tempo dos circuitos R4C2 e R5C3, que devem ser iguais. As características dos shapers possuem histerese, cuja magnitude depende da relação das resistências dos resistores do circuito de feedback positivo (POC) R6 e R8, R7 e R9. A partir das saídas dos modeladores, os pulsos de controle através dos seguidores do emissor nos transistores VT2-VT5 são fornecidos às portas dos transistores chave VT6-VT9. O retificador usando diodos VD6-VD9 e capacitores C7-C10 foi projetado para quadruplicar a tensão pelo seguinte motivo. É aconselhável enrolar os enrolamentos primário e secundário do transformador em uma camada para reduzir a indutância de fuga. A utilização de um multiplicador de tensão permite reduzir em quatro vezes o número de voltas do enrolamento secundário e torná-lo monocamada. A tensão da saída do retificador é fornecida ao divisor R10R11. Uma tensão proporcional a ele do motor do resistor de corte R11 é aplicada à entrada do nó nos elementos DD2.1 e DD2.2 com um circuito PIC nos resistores R12 e R13, o que cria uma característica de comutação com histerese. Depois de ligar a energia, a tensão de saída do retificador aumenta. Ao atingir o limite superior de chaveamento (310 V), a saída do elemento DD2.1, conectado aos pinos 9 dos microcircuitos DD1 e DD2, é colocada em nível baixo, o que proíbe a passagem de pulsos para os seguidores do emissor, como resultado do qual todos os transistores principais são fechados. Depois disso, a tensão de saída do retificador diminui devido à descarga dos capacitores C9 e C10. Quando cai para o limite de comutação inferior (300 V), a saída do elemento DD2.1 é ajustada para um nível alto, o que novamente permite a passagem de pulsos para os seguidores do emissor, como resultado a tensão de saída do retificador aumentará para o limite superior. Movendo o controle deslizante do resistor de corte R11, você pode ajustar a tensão de saída do retificador e, selecionando o resistor R13, você pode ajustar a diferença nos limites de comutação. Aumentar a resistência do resistor R13 a reduz e diminuí-la aumenta-a. Os nós do gerador de baixa frequência (ver Fig. 3) são semelhantes aos nós correspondentes do gerador de alta frequência, mas a capacidade dos capacitores de temporização do gerador de baixa frequência é maior, então os resistores R18 e R19 são adicionados a ele, que limitam a corrente de descarga dos capacitores C14 e C15, protegendo as saídas do microcircuito DD3 (pinos 3 e 4 ) de sobrecarga. Uma unidade de proteção contra sobrecarga do conversor é montada no transistor VT10, elementos DD4.1, DD4.2 e resistores R25, R26, R29. Quando a corrente de carga do conversor ultrapassa o valor permitido, a tensão no resistor R33 - o sensor de corrente - aumenta para 0,7 V. Neste caso, o transistor VT10 abre, a saída do elemento DD4.2 é ajustada para um nível baixo, que é fornecido aos pinos de 9 microcircuitos DD3 e DD4, em consequência, é proibida a passagem de pulsos para os seguidores do emissor nos transistores VT11-VT14. Todos os principais transistores da ponte VT17-VT20 estão fechados. A chave inversora de baixa frequência da ponte (Fig. 4) funciona da seguinte forma. Durante a pausa entre os pulsos, a tensão nas saídas dos seguidores do emissor acima é zero, então os transistores VT16 e VT21 estão abertos e todos os outros estão fechados. Quando um pulso chega às portas VT15 e VT20, esses transistores, assim como o VT17, abrem. Quando um pulso chega às portas VT18 e VT22, esses transistores, assim como o VT19, abrem. Como resultado, na saída da ponte, são formados pulsos retangulares de tensão multipolar com oscilação de 620 V e valor efetivo de 220 V, separados por pausas. Como os pulsos de controle são separados por pausas, o aparecimento de através a corrente através dos transistores conectados em série da ponte é excluída.
Alguns consumidores exigem uma forma senoidal de tensão de alimentação alternada. Neste caso, o conjunto gerador de baixa frequência (ver Fig. 3) é substituído por outro, cujo diagrama é mostrado na Fig. 5. Este bloco usa um gerador de tensão senoidal com frequência de 50 Hz no amplificador operacional DA4.1, um inversor de fase no amplificador operacional DA4.2, dois circuitos integradores R44C25 e R49C30, dois seguidores de emissor VT23 VT24, VT25 VT26 e dois somadores nos resistores R50R52R54 e R51R55R57.
A meia onda positiva da tensão senoidal da saída OUDA4.1 através do diodo VD21 é fornecida ao somador R51R55R57. A meia onda positiva da saída do inversor de fase DA4.2 é alimentada através do diodo VD20 para o somador R50R52R54. A partir das saídas dos somadores, a tensão através dos resistores R53 e R56 é fornecida à entrada dos modeladores de pulso DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2. Pulsos retangulares são fornecidos às entradas dos circuitos integradores, e pulsos dente de serra são formados nos capacitores C25 e C30, que são alimentados através dos capacitores C26 e C31 nas entradas de dois modeladores de pulso. Diagramas de tensão na Fig. 6 mostra como os pulsos nas entradas dos shapers são somados em um período de frequência de 50 Hz. Para mostrar claramente a forma dos pulsos, o período de preenchimento de alta frequência (27 kHz) foi estendido. Na Fig. 6,a - tensão no pino 8 do chip DD5; na Fig. 6, b - no pino 8 do chip DD6. Como resultado, sequências de pulsos com frequência PWM senoidal de 50 Hz são formadas nas saídas dos shapers: na Fig. 6,c - na saída DD5,2; na Fig. 6,g - na saída de DD6.2. Na saída do conversor “~220 V” é gerado um sinal PWM bipolar com oscilação de 620 V, cujo formato é mostrado na Fig. 6, d. Para suprimir o componente com frequência de 27 kHz na tensão de saída, é necessário ligar o indutor em série com a carga e um capacitor em paralelo com a carga. Esses elementos são selecionados experimentalmente para cada carga. Por exemplo, uma carga de 100 W (sua resistência é de 484 Ohms) requer um filtro com um indutor de 0,13 H e um capacitor de 0,56 μF. Com diferentes resistências de carga, a indutância do indutor é recalculada em proporção direta, e a capacitância do capacitor é inversamente proporcional à resistência da carga. Todas as peças do conversor estão alojadas em uma caixa de chapa de alumínio. Os transistores VT6-VT9, VT17-VT20 são fixados à caixa com pasta condutora de calor e juntas de mica. Os transistores IRFIZ44N (VT15 e VT22) são instalados sem gaxetas, pois seus invólucros são totalmente isolados. Eles podem ser substituídos por IRFZ44N, mas devem ser instalados através de espaçadores de mica.
A ventoinha da fonte de alimentação do computador com motor elétrico M1 de 3 W sopra ar constantemente pelo gabinete para resfriar as peças. Para reduzir o consumo de energia durante cargas de baixa potência, o ventilador pode ser desligado através da chave SA1. O transformador T1 é enrolado em quatro núcleos magnéticos dobrados juntos a partir de um transformador da linha TVS-110, como mostrado na Fig. 7. Os números indicam: 1 - fio enrolado; 2 - circuito magnético; 3 - braçadeira apertando o circuito magnético. Os enrolamentos primários (I e II) contêm quatro seções de três voltas de fio com seção transversal de 5 mm2 (dois fios de montagem de 2,5 mm2 dobrados juntos). O enrolamento secundário (III) contém duas seções de 11 voltas de fio de montagem com seção transversal de 1,5 mm2. As voltas dos enrolamentos devem ser distribuídas uniformemente ao longo do comprimento do núcleo magnético e os enrolamentos devem ser de camada única. Os restantes elementos são montados em duas placas separadas por montagem saliente. Uma placa com os elementos mostrados na Fig. 1, está localizado próximo aos transistores principais (ver Fig. 2). Uma placa com os elementos mostrados na Fig. 3, - próximo aos transistores da ponte inversor-chave de baixa frequência (ver Fig. 4). É aconselhável utilizar um capacitor de óxido C6 importado da categoria “Low ESR”, por exemplo, Jamicon WL ou similar. Caso contrário, vai esquentar. Os capacitores retificadores C7-C10 devem ter uma potência reativa permitida suficientemente grande. O dispositivo usa capacitores MBGCH. Um capacitor cerâmico não indutivo KM-3 do grupo N30 com capacidade de 0,022 μF e tensão nominal de 250 V é conectado em paralelo a cada um deles. Os resistores trimmer são da série SP3-1b. Antes de instalá-los, é necessário verificar a operacionalidade do sistema de contatos móveis. O relé K1 deve ter tensão de operação não superior a 10 V. O autor utilizou o relé RES59 (versão HP4.500.020). Ao configurar, em vez de uma bateria, use uma fonte de alimentação de laboratório com tensão de saída ajustável de 10.13 V. Uma tensão de 10,5 V é aplicada à entrada do conversor e o resistor R3 é usado para desligar o relé K1. Em seguida, a tensão de entrada é aumentada para 12 V. Ao selecionar os resistores R1 e R2 (ver Fig. 1), a mesma duração de pulso de 18,5 μs é definida nos pinos 3 e 4 do microcircuito DD1. Ao selecionar os resistores R4 e R5, a duração da pausa entre esses pulsos é definida em 5 μs. O driver do resistor de corte R11 é uma tensão de +305 V com uma potência de carga de 60 W na saída do retificador VD6-VD9C7-C10 (ver Fig. 2). Ao selecionar os resistores R16 e R17 (Fig. 3), a mesma duração de pulso de 10 ms é estabelecida nos pinos 3 e 4 do microcircuito DD3. Ao selecionar os resistores R20 e R21, a duração da pausa entre esses pulsos é de 6 ms. O bloco cujo diagrama é mostrado na Fig. 5, configure assim. Mova o controle deslizante do resistor de sintonia R39 para baixo no circuito para que o gerador no amplificador operacional DA4.1 pare de funcionar. Ao selecionar os capacitores C25 e C30, a oscilação de tensão em dente de serra entre eles é ajustada para 4 V. Substitua temporariamente os resistores permanentes R52 e R55 por trimmers de 15 kOhm conectados como reostatos. Primeiro, sua resistência é reduzida suavemente do máximo até que os pulsos apareçam na saída dos seguidores do emissor, depois aumentada até que desapareçam. Meça a resistência da parte introduzida dos resistores de corte com um ohmímetro digital e substitua-os por constantes da mesma resistência. Depois disso, mova o controle deslizante do resistor de corte R39 para cima no circuito, ajustando a amplitude da tensão na saída do gerador para 4 V. Neste caso, a tensão de saída deve ter o formato de uma senóide ligeiramente truncada. Se necessário, ao selecionar os capacitores C18 e C22, é necessário definir a frequência de geração para 50 Hz. Então, selecionando os resistores R50 e R51, a amplitude da meia onda é de 4 V nos resistores R54 e R57. Para melhorar o funcionamento do gerador no amplificador operacional DA4.1, pode ser necessário incluir um capacitor de 47 pF entre o terminal direito do resistor R40 e o fio comum. As fontes de energia do conversor podem ser baterias de arranque de automóveis, rede de bordo do automóvel, baterias de tração para veículos elétricos, painéis solares, geradores eólicos ou hídricos. Se necessário, a tensão de alimentação pode ser duplicada. Para isso, os enrolamentos primários (I e II) do transformador T1 devem conter quatro seções de seis voltas de fio de montagem com seção transversal de 2,5 mm2. O autor utiliza um gerador de gás caseiro feito a partir de uma motosserra Ural e um gerador elétrico com tensão de saída de 12 V e potência de 1 kW de um trator T-150, que são conectados entre si por uma correia em V. Em termos de relação potência/peso, este gerador de gás supera muitos projetos industriais. Seu peso leve e dimensões permitem levá-lo na estrada e, se necessário, carregar a bateria do carro em campo. Um conversor de tensão alimenta qualquer equipamento com potência de até 1 kW. Literatura
Autor: A. Sergeev
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