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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Convertisseur pour alimenter l'équipement ménager
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Convertisseurs de tension, redresseurs, onduleurs Nous présentons à nos lecteurs une description d'un convertisseur de secours pour alimenter les équipements électroménagers en l'absence de tension dans le réseau d'éclairage. Sa particularité est la présence de deux étages de conversion : haute fréquence et basse fréquence, qui ont permis de réduire considérablement les dimensions et le poids de l'appareil. Aujourd'hui, il existe un intérêt accru pour le développement et la fabrication de convertisseurs puissants permettant d'alimenter divers équipements ménagers à partir de batteries rechargeables. Cela est dû en grande partie à deux facteurs. Premièrement, divers types de restrictions et d'interruptions de l'alimentation électrique, qui sont récemment devenues une pratique courante dans de nombreuses régions du pays. Deuxièmement, les réalisations modernes dans le domaine de la production industrielle de composants électroniques spécialisés pour la technologie des convertisseurs. Il s'agit tout d'abord de puissants transistors à effet de champ à grande vitesse avec leur facilité de contrôle inhérente et leurs faibles pertes à l'état passant, ainsi qu'une large gamme de contrôleurs PWM intégrés, qui sont en fait des convertisseurs monopuce. unités de contrôle. Il est également important qu'une telle base élémentaire soit récemment devenue accessible au radioamateur moyen, à la fois en termes de gamme de produits et de coût. En conséquence, il est devenu possible de développer des dispositifs convertisseurs contenant un petit nombre de pièces tout en présentant des caractéristiques énergétiques et de performance élevées. Des descriptions de tels convertisseurs ont été publiées plus d'une fois sur les pages de Radio [1, 2] et dans la littérature technique pertinente [3, 4]. Une particularité de ces appareils est qu'ils fonctionnent tous à une faible fréquence de conversion (généralement 50 Hz). Cela est dû à la nécessité de garantir que les paramètres de sortie des convertisseurs correspondent aux caractéristiques de fréquence du réseau électrique domestique, car il existe une large classe d'appareils électriques nécessitant une tension d'alimentation alternative. Il s'agit par exemple de tous les consommateurs contenant un transformateur réseau ou de divers types de moteurs à courant alternatif. Dans le même temps, le choix d'une faible fréquence de conversion entraîne certaines difficultés de conception et de fonctionnement : la fabrication d'un transformateur de sortie puissant, qui détermine principalement les paramètres de poids et de taille de l'ensemble de l'appareil, et le « bourdonnement » caractéristique du convertisseur pendant son fonctionnement. De plus, les convertisseurs décrits ne sont généralement pas équipés d'unités permettant de stabiliser la tension de sortie en fonction de la puissance de la charge qui y est connectée ou du degré de décharge de la batterie d'alimentation. En conséquence, des modifications de l'amplitude de la tension alternative de sortie sont possibles dans une plage assez large (jusqu'à 30...40 %), ce qui n'a pas toujours un effet favorable sur les consommateurs. Tout ce qui précède a prédéterminé la conception du convertisseur proposé, développé en tenant compte des inconvénients indiqués inhérents aux dispositifs existants. Fonctionnellement, le convertisseur se compose de deux parties principales : un puissant onduleur élévateur haute fréquence avec un redresseur de sortie et un inverseur-commutateur basse fréquence. Principales caractéristiques techniques
Le schéma de l'appareil est présenté sur la Fig. 1. L'onduleur haute fréquence est réalisé selon le circuit d'un convertisseur push-pull forward utilisant les transistors VT1 -VT4 et le transformateur T1. Les avantages de cette solution incluent de faibles niveaux d'ondulation, une meilleure utilisation des transistors de commutation en termes de courant et un rendement supérieur à celui des convertisseurs assemblés en pont. Les éléments amortisseurs VD2, VD3, R1, C3 sont utilisés pour réduire l'amplitude des surtensions lors de la commutation et faciliter le fonctionnement des transistors.
La protection de l'onduleur contre les surcharges ou les courts-circuits en sortie est basée sur le relais de courant K1 inclus dans le circuit d'alimentation primaire. Il est réalisé sur la base d'un interrupteur à lames avec un groupe de contacts de fermeture, placé au centre d'une bobine d'un ou deux tours du fil d'alimentation provenant de la borne positive de la batterie. Dans le même temps, la résistance interne d'un tel relais est très faible et n'a pratiquement aucun effet sur le fonctionnement du convertisseur en mode normal. En cas de surcharge, les contacts de l'interrupteur Reed se ferment, envoyant le signal de protection correspondant à l'unité de commande de l'onduleur HF A1. La vitesse de réponse de la protection actuelle est de 1 à 2 ms. Le redresseur de tension de sortie est réalisé selon un circuit en pont utilisant des diodes VD4-VD7, ce qui permet également de réduire le niveau d'ondulation et d'augmenter le taux d'utilisation du transformateur d'impulsions T1. La tension redressée est fournie au filtre de lissage L1C5-C7. Le signal de retour de tension, nécessaire au fonctionnement de l'unité de commande de l'onduleur HF A1, est retiré du diviseur de tension résistif R3-R5. La tension continue stabilisée est fournie à un inverseur-commutateur basse fréquence, réalisé selon un circuit en pont complet utilisant les transistors VT5-VT8. La tension alternative rectangulaire de la fréquence du secteur générée par le commutateur est fournie à la charge du convertisseur. Le mode de fonctionnement du commutateur est déterminé par l'unité de commande de l'onduleur basse fréquence A2. Les transistors VT5-VT8 sont contrôlés par des pilotes identiques A4-A7, isolés galvaniquement du reste des composants du convertisseur. Le «cœur» de l'onduleur HF est la puce du contrôleur PWM KR1156EU2 [5] (analogique étranger - UC3825 d'Unitrode [6]), spécialement conçue pour contrôler les alimentations à découpage push-pull avec une fréquence de commutation élevée, fonctionnant sous tension. ou les commentaires actuels. Le schéma de l'unité de commande de l'onduleur HF A1 est illustré à la fig. 2.
La fréquence de l'oscillateur maître interne du contrôleur est déterminée par les valeurs nominales des éléments externes - résistance R9 et condensateur C9, et aux valeurs indiquées, elle est d'environ 50 kHz. Le signal en dents de scie nécessaire au fonctionnement, généré sur le condensateur C9, est fourni à l'entrée RAMP du microcircuit. L'entrée directe IN de l'amplificateur de signal d'erreur (USA) à l'intérieur du microcircuit est alimentée en tension par une source de référence de +5 V. Une partie de la tension de sortie de l'onduleur, redressée par le pont de diodes VD4-VD7, provenant du diviseur résistif R3- R5 est fourni à l'entrée inverseuse IN de l'USO. Le gain de l'appareil dans la région basse fréquence dépend de la résistance des résistances R10, R11 et est égal à 100. Le condensateur C11 est conçu pour corriger la réponse en fréquence de l'amplificateur dans la région haute fréquence afin d'augmenter la stabilité de l'ensemble du système de contrôle de la largeur d'impulsion. La modification de la largeur des impulsions de commande de sortie résulte de la comparaison du comparateur interne du contrôleur de tension en dents de scie agissant à l'entrée RAMP avec la tension de sortie de l'appareil. Les impulsions de commande générées avec une fréquence de répétition de 25 kHz à partir des sorties OUTA et OUTB sont fournies respectivement aux transistors VT1, VT2 et VT3, VT4. Le condensateur C10 détermine le fonctionnement de l'unité de démarrage « douce » du contrôleur. Au moment de la mise sous tension, le condensateur commence à se charger à partir de la source avec un courant de 9 μA, tandis que l'augmentation de la tension sur la broche SS au fur et à mesure de la charge assure une augmentation douce de la durée du cycle de fonctionnement du contrôleur. Comme le montre le schéma principal (voir Fig. 1), en cas de surcharge du convertisseur, le relais de courant K1 est activé, fermant les contacts de l'interrupteur à lames K1.1. Dans ce cas, le thyristor VS1 s'ouvre, provoquant l'allumage de la LED « Protection » HL1, ainsi que l'apparition d'une chute de tension d'environ 2 V aux bornes de la résistance R8. Cette tension est appliquée à l'entrée SD du contrôleur, le mettant ainsi en mode blocage. Les sorties OUTA, OUTB de la puce DA1 sont commutées dans un état haute impédance et les transistors de commutation VT1-VT4 sont fermés. Afin de remettre l'appareil en état de fonctionnement après avoir éliminé la surcharge, vous devrez couper l'alimentation du convertisseur pendant un certain temps. Le stabilisateur paramétrique R12VD8 limite la tension d'alimentation du contrôleur à 12 V. L'unité d'alimentation du pilote A2 est un convertisseur d'impulsions de faible puissance réalisé selon le circuit illustré à la Fig. 3.
Un oscillateur maître est assemblé sur des éléments logiques DD1.1, DD1.2, générant des impulsions avec une fréquence de répétition d'environ 100 kHz. Vient ensuite un diviseur de fréquence par 4, réalisé sur les triggers du microcircuit DD2. Les impulsions des sorties inverses des déclencheurs DD2.1, DD2.2 et de la sortie directe du déclencheur DD2.2 sont fournies aux éléments logiques DD1.3 et DD1.4. À partir des sorties de ces éléments, des impulsions de commande générées avec une fréquence de répétition d'environ 25 kHz sont fournies aux transistors VT9 et VT10, qui commutent le courant de l'enroulement primaire du transformateur T2. Le schéma de l'unité de commande de l'onduleur basse fréquence A3 est illustré à la fig. quatre.
L'oscillateur maître est monté sur le timer intégré DA2, connecté selon un circuit standard. La fréquence de répétition des impulsions générées est déterminée par les éléments C17, R23, R24. Pour les calibres indiqués, il s'agit de 100 Hz. Le signal du générateur est envoyé à un diviseur de fréquence par 2, collecté sur un déclencheur DD3.1, qui sert de shaper de signal paraphase. Ensuite, à partir du shaper, des impulsions d'une fréquence de 50 Hz sont fournies aux éléments logiques DD4.1, DD4.2, à partir de la sortie desquels, via les transistors VT11, VT12, elles sont fournies aux LED correspondantes des optocoupleurs de pilotage ( A4-A7). Un dispositif one-shot assemblé sur un déclencheur DD3.2 est conçu pour obtenir une pause entre les impulsions de commande. La présence d'une telle pause est nécessaire pour éviter l'apparition d'un courant traversant dans les épaulements du pont de transistors VT5-VT8. La durée de la pause formée est déterminée par les valeurs des éléments C19, R25, R26, et pour ceux indiqués sur le schéma elle est d'environ 1 ms. Les pilotes A4-A7 pour contrôler les transistors de commutation VT5-VT8 de l'onduleur basse fréquence sont réalisés selon des circuits identiques sur la Fig. 5.
Le signal de commande est fourni au pilote via l'optocoupleur à diode U1, qui assure l'isolation galvanique de l'unité de commande de l'onduleur LF. Ensuite, après l'amplificateur sur le transistor VT13, le signal passe à l'étage de sortie complémentaire VT14VT15, chargé directement sur le circuit de grille du transistor de commutation VT5. Le pilote est alimenté par un convertisseur d'impulsions basse consommation A2 via un transformateur d'isolement T3 et un pont de diodes VD15 avec un filtre de lissage C21. Le circuit R34VD14 limite la tension maximale à la grille du transistor à effet de champ à 15 V. Dans la version originale, le convertisseur est assemblé dans un boîtier métallique de taille adaptée - 200x120x120 mm. L'apparence de l'appareil est représentée sur la Fig. 6.
Tous les composants fonctionnels du convertisseur sont assemblés sur des circuits imprimés séparés, à l'exception des éléments de puissance. Une attention particulière doit être portée à la topologie de disposition du circuit imprimé du contrôleur PWM, en essayant d'éviter la proximité des conducteurs des circuits d'entrée et de sortie et, si possible, de minimiser leur longueur. Je recommande de fabriquer le circuit imprimé de cette unité à partir d'une feuille de fibre de verre double face, en utilisant une feuille d'un côté comme fil commun. Les éléments combustibles VT1 - VT4 de l'onduleur haute fréquence, ainsi que le transformateur T1, les condensateurs C1, C2 et les éléments amortisseurs VD2, VD3, R1, C3 sont montés sur la paroi arrière du boîtier, constituée d'une plaque de duralumin solide de dimensions de 120x120 mm et une épaisseur de 8 mm. L'installation est réalisée avec un fil de cuivre (bus) d'une section de 10 mm2. La paroi arrière à l'extérieur est équipée d'ailettes disposées verticalement, de sorte que la surface de travail effective du dissipateur thermique résultant est d'environ 600 cm2. L'espace restant sur la paroi arrière de l'appareil est réservé aux bornes de connexion de la batterie et du fusible FU1. Les transistors VT5-VT8 sont équipés de petits dissipateurs thermiques, chacun d'une superficie d'environ 50 mm==2. Au lieu des transistors IRFZ34N (VT1-VT4) indiqués dans le schéma, IRFZ44, BUZ11, KP723A ou tout autre MOSFET à canal N induit, un courant de drain maximum d'au moins 35 A, une tension drain-source maximale de au moins 55 V et une résistance de canal ouvert ne dépassant pas 0,04 Ohm. Au lieu des transistors IRF820 (VT5-VT8), il est permis d'utiliser IRF830, BUZ90, KP707B1 ou d'autres structures correspondantes avec un courant de drain maximum d'au moins 2 A et une tension drain-source maximale d'au moins 400 V. Transistors KT972A ( VT9-VT12) sont interchangeables avec KT829A ou composite KT315 + KT815 avec n'importe quelle lettre index. À la place des transistors restants, vous pouvez utiliser n'importe quel transistor bipolaire de faible puissance de structure appropriée. Les diodes KD226G (VD4-VD7) peuvent être remplacées par KD226D. Condensateurs à oxyde C1, C2, C5, C6 - K50-24, K50-27, capables de fonctionner dans des circuits avec des ondulations de courant importantes. Les condensateurs à oxyde restants utilisés dans l'appareil sont K50-6, K50-16, K53-14A, non polaires - tous ceux en céramique, par exemple KM-5, KM-6, K10-17. Commutateur Q1 - n'importe lequel, conçu pour un courant nominal d'au moins 20 A. Le relais de courant K1 est réalisé sur la base d'un interrupteur à lames KEM-1 ou similaire avec une paire de contacts normalement ouverts, qui a le temps de réponse le plus court possible. Le commutateur à lames est placé dans un tube cylindrique à paroi mince en matériau non magnétique de diamètre approprié. Un enroulement de relais contenant un ou deux tours est enroulé sur le tube. Le nombre exact de tours est sélectionné lors de la configuration. La self L1 est réalisée à base d'un noyau magnétique B28 en ferrite M2000NM. L'enroulement est enroulé sur le cadre de la bobine jusqu'à ce qu'il soit rempli de fil PEV-2 0,9. Lors du montage, un joint en matériau amagnétique de 0,1 mm d'épaisseur est placé entre les parties du circuit magnétique. L'inductance d'une telle self est d'environ 1 mH. Le transformateur T1 est enroulé sur deux noyaux magnétiques annulaires K65x40x6 repliés ensemble à partir de ferrite M4000NM. L'enroulement I contient 2x6 tours de 60 conducteurs PEV-2 0,35 et l'enroulement II contient 220 tours de fil PEV-2 0,9. Avant le bobinage, les arêtes vives du noyau magnétique doivent être arrondies. L'enroulement II est enroulé en premier, tour à tour. Ensuite, une isolation entre les enroulements est posée, au-dessus de laquelle est placé l'enroulement I. Pour réduire l'inductance de fuite, il est enroulé en deux fils (en deux faisceaux de 60 conducteurs chacun) et répartis uniformément le long du noyau magnétique. Pour l'enroulement primaire, vous pouvez utiliser un faisceau formé de la tresse de blindage en cuivre d'un câble coaxial de section appropriée (5...7 mm2). Pour assurer l'isolation entre spires, le faisceau est placé dans un tube en matériau isolant (par exemple du polychlorure de vinyle) d'un diamètre adapté. Le point milieu de l'enroulement primaire est obtenu en reliant le début d'un demi-enroulement à la fin de l'autre. Le transformateur T2 est réalisé sur un anneau K28x16x9 en ferrite M2000NM. Les enroulements contiennent : primaire - 2x20 et secondaire - 20 tours de fil PEV-2 0,4. Tout d'abord, comme dans le transformateur T1, l'enroulement secondaire est enroulé et, au-dessus, en deux fils, le primaire. En reliant le début d'un demi-enroulement à la fin de l'autre, on obtient un point milieu. Chaque transformateur de puissance driver TZ (il faudra en réaliser quatre) est enroulé sur un anneau K20x12x6 en ferrite M2000NM. Les enroulements contiennent : primaire - 30, secondaire - 40 tours de fil PEV-2 0,28. L'enroulement secondaire est enroulé en premier. Pour configurer le convertisseur, vous aurez besoin d'une source de tension continue de 10...15 V avec un courant de sortie de 5...10 A. Pour cela, vous pouvez utiliser un chargeur de batterie de voiture, de préférence équipé d'un dispositif de surcharge de courant de sortie. protection. Les parties haute fréquence et basse fréquence du convertisseur sont ajustées séparément. Après avoir assemblé la partie haute fréquence de l'appareil, vous devez garantir une installation correcte et de haute qualité. Ensuite, le moteur de la résistance variable R4 est réglé en position haute selon le schéma. L'alimentation est fournie à l'appareil via une résistance de limitation de courant d'une résistance de 10 Ohms et d'une puissance de 5 W. Dans ce cas, le courant à vide ne doit pas dépasser 300 mA et la tension à la sortie du redresseur VD4-VD7 doit être comprise entre 190...200 V. En déplaçant le curseur de la résistance variable R4, avec une résistance d'environ 0,5 Ohm, sélectionnez le nombre de tours pour que l'interrupteur à lames se déclenche à un courant d'environ 25 A. Après cela, le relais de courant est connecté à l'appareil et la partie haute fréquence est ajustée, l'alimentant à partir de la batterie. En augmentant progressivement la puissance de la charge connectée au redresseur VD4-VD7 jusqu'à 200 W, la consommation de courant, la tension de sortie et les conditions thermiques de fonctionnement du convertisseur sont contrôlées. En cas de fonctionnement prolongé, la température du dissipateur thermique ne doit pas dépasser 60 °C. À ce stade, l’installation de la partie haute fréquence de l’appareil peut être considérée comme terminée. Le bloc d'alimentation du pilote et les pilotes eux-mêmes ne nécessitent aucun réglage lors d'une installation sans erreur. La configuration de l'unité de commande de l'onduleur basse fréquence consiste à régler la fréquence du générateur d'horloge (100 Hz) avec la résistance d'ajustement R23 et la durée de la pause entre les impulsions de sortie (environ 1 ms) avec la résistance d'ajustement R26. Après avoir assemblé toute la partie basse fréquence du convertisseur, une tension constante de 10...15 V est appliquée à son entrée (en tenant compte de la polarité), tout en surveillant la tension alternative de sortie sur la résistance R6 à l'aide d'un oscilloscope. Le signal de sortie observé doit être rectangulaire, symétrique avec un rapport cyclique de 2, sans distorsion visible. Si nécessaire, effectuez des ajustements supplémentaires sur la durée de la pause entre les demi-cycles du méandre à l'aide de la résistance d'ajustement R26. Ceci termine la configuration de la partie basse fréquence du convertisseur. Ensuite, les parties haute fréquence et basse fréquence sont connectées les unes aux autres et les performances du convertisseur dans son ensemble sont surveillées sur toute la plage de puissance, si nécessaire, en ajustant la tension alternative de sortie de 220 V avec une résistance variable R4. La tension de sortie doit être mesurée à l'aide d'un dispositif pointeur indiquant la valeur efficace (rms) ! En conclusion, je tiens à souligner que le dispositif proposé s'adapte facilement aux caractéristiques de sortie requises. En sélectionnant le coefficient de division du diviseur résistif R3-R5, il est possible de régler une tension de sortie différente (par exemple, 127 V), et en modifiant les valeurs nominales des éléments C17, R24, vous pouvez obtenir d'autres valeurs du fréquence de sortie (par exemple, 400 Hz). littérature
Auteur : I.Poley, Yuzhno-Sakhalinsk
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