Dc/ac инвертор: принцип работы, схемотехника, встроенное по

Содержание

Ассиметричный или «косой» мост

Это однотактный, прямоходовой преобразователь, блок схема которого приведена ниже:

Данный тип преобразователя довольно популярен как у простых радиолюбителей, так и у производителей сварочных инверторов. Самые первые сварочные инверторы строились именно по таким схемам – асимметричный или «косой» мост. Помехозащищенность, довольно широкий диапазон регулирования выходного тока, надежность и простота – эти все качества до сих пор привлекают производителей до сих пор.

Довольно высокие токи, проходящие через транзисторы, повышенное требование к качеству управляющего импульса, что приводит к необходимости использовать мощные драйвера для управления транзисторами, а высокие требования к выполнению монтажных работ в этих устройствах и наличие больших импульсных токов, которые в свою очередь повышают требования к конденсаторным фильтрам – это существенные недостатки такого типа преобразователя. Также для поддерживания нормальной работы транзисторов необходимо добавление RCD цепочек – снабберов.

Но несмотря на выше перечисленные недостатки и низкий КПД устройства по схеме асимметричный или «косой» мост все еще применяются в сварочных инверторах. В данном случае транзисторы Т1 и Т2 будут работать синфазно, то есть закрываться и открываться одновременно. В данном случае накопление энергии будет происходить не в трансформаторе, а в катушке дросселя Др1. Именно поэтому для того, чтоб получить одинаковую мощность с мостовым преобразователем необходим удвоенный ток через транзисторы, так как рабочий цикл при этом не будет превышать 50%. Более подробно данную систему мы рассмотрим в следующих статьях.

Расчет

В целом расчет аналогичен расчету для пушпульной схемы. Так что я приведу только те формулы, которые отличаются.

Как и для пушпульной схемы, мы рекомендуем выбирать максимальный коэффициент заполнения около 80%

При расчете трансформатора формулы такие же, как в пушпульной схеме с учетом того, что в мостовой схеме одна первичная обмотка. Количество витков в ней равно количеству витков в одной из половинок пушпульного трансформатора, а толщина провода вдвое больше, так как средний ток через нее вдвое больше.

[Максимальное напряжение коллектор — эмиттер VT2, VT9, VT11, VT12, В] = [Максимальное входное напряжение, В]

Коррекция асимметрии

Для того, чтобы исключить одностороннее намагничивание сердечника трансформатора иногда включают последовательно с первичной обмоткой конденсатор. Это гарантирует отсутствие одностороннего намагничивания. Но с другой стороны конденсатор снижает максимальную мощность преобразователя. Для мощных схем потребуется конденсатор большой емкости, рассчитанный на большой ток. Другим решением является применение в сердечнике трансформатора небольшого зазора (0.025 — 0.05 мм). Такой зазор гарантирует саморазмагничивание.

[Емкость последовательного конденсатора, Ф] = 5 * [Максимальная средняя сила тока через дроссель L1, А] * [Коэффициент трансформации] * [Максимальный коэффициент заполнения] / ([Минимальное входное напряжение, В] * [Частота работы контроллера D1, Гц])

Такой выбор емкости обеспечит изменение напряжения на нем в пределах 10% от минимального входного.

Конденсатор лучше выбирать рассчитанный на максимальное входное напряжение. Это обеспечит надежный запас.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

 1   2   3 

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

 

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Прямоходовый однотактный импульсный преобразователь напряжения, источн…
Как сконструировать прямоходовый импульсный преобразователь. В каких ситуациях о…

Силовой мощный импульсный трансформатор, дроссель. Намотка. Изготовить…
Приемы намотки импульсного дросселя / трансформатора….

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус…
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за…

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания…
Как работает обратноходовый стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описани…

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму…
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи….

Прямоходовый импульсный преобразователь напряжения. Выбор ключа — бипо…
Как сконструировать прямоходовый импульсный источник питания. Как выбрать мощные…

Понижающий импульсный источник питания. Обратная связь по напряжению. …
Шаг 4. Метод расчета цепей компенсации усилителя ошибки. Как применять полевые т…

Преобразователь однофазного в трехфазное. Конвертер одной фазы в три. …
Схема преобразователя однофазного напряжения в трехфазное….

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Лабораторный блок питания ни что иное как высококачественный универсальный источник питания с нормированными и термостабильными характеристиками. Эти устройства имеются на любом предприятии, которое занимается разработкой, изготовлением или ремонтом и/или ремонтом радиоэлектронной аппаратуры.

Используют их во время проверки и/или калибровки различных приборов. Кроме того они необходимы в тех случаях, когда нужно с высокой точностью подать питающее напряжение и ток на радиотехническое устройство.

Как правило, лабораторные блоки питания оснащаются всевозможными устройствами защиты (перегрузка, защита от короткого замыкания и пр.) и органами регулировки выходных параметров (напряжение и ток).

Лабораторные блоки оснащают также специальными входами для подачи модулирующих сигналов, что позволяет пользователю формировать выходное напряжение и ток произвольной формы.

Серийно выпускаемые лабораторные источники питания могут быть как линейными, так и импульсными.

Линейные.

Линейные лабораторные БП строятся на базе больших низкочастотных трансформаторов, которые понижают сетевое напряжение ~220 В частотой 50 Гц до определенного значения. Частота переменного тока при этом остается без изменений. Затем синусоидальное напряжение выпрямляется, сглаживается емкостными фильтрами и доводится до заданного значения линейным полупроводниковым стабилизатором.

Приборы, работающие по такому принципу обеспечивают требуемое значение выходного напряжения с высокой точностью. Оно отличается стабильностью и отсутствием пульсаций. Однако они имеют ряд недостатков:

  • большие габаритные размеры и вес, который может быть больше 20 кг. Из-за этого мощность на нагрузке у таких БП редко превышает 200 Вт.;
  • низкий КПД (не более 60%), что обусловлено принципом работы линейного стабилизатора, где все избыточное напряжение преобразуется в тепло;
  • наличие высокочастотных помех, проникающих из сети ~220 в, 50 Гц., для устранения которых необходим сетевой фильтр;
  • относительно небольшое время наработки на отказ, вызванное старением электролитических конденсаторов.

Импульсные.

В основу работы импульсных лабораторных блоков питания положен принцип заряда сглаживающих конденсаторов импульсным током. Он образуется в момент подключения/отключения индуктивного элемента. Переключение происходит под действием специально оптимизированных транзисторов, а выходное напряжение регулируется путем изменения глубины широтно импульсной модуляции (ШИМ).

Основные преимущества импульсных лабораторных источников обеспечиваются за счет:

  • плавного изменения глубины ШИМ, что в свою очередь, позволяет закачивать в сглаживающие конденсаторы такое количество энергии, которое соизмеримо с энергопотреблением нагрузки БП. При этом КПД блока питания может достигать 90 и более процентов;
  • высокочастотной составляющей, которая дает возможность использования сглаживающих конденсаторов значительно небольшой емкости.

За счет этого габаритные размеры корпуса невелики. Кроме того, за счет более высокого КПД значительно уменьшается выделение тепла и улучшается температурный режим работы источника питания.

Существенным недостатком импульсных лабораторных блоков, несколько ограничивающих их применение являются:

  • высокочастотные пульсации на выходе, которые достаточно тяжело отфильтровать;
  • радиочастотные наводки и их гармоники, вызванные периодическими токовыми импульсами.

При работе с радиочастотными схемами импульсные блоки питания необходимо располагать на максимальном расстоянии от них или использовать трансформаторные схемотехнические решения.

Основным техническим параметром лабораторных источников электро энергии является мощность. Здесь существует такое подразделение:

  • стандартные, мощностью до 700 Вт. Их максимальный вес не превышает 15 кг.;
  • большой мощности.

Стандартные исполнения могут быть как трансформаторными, так и импульсными. Предназначены они для работы с напряжениями в диапазоне от 15 до 150 В. При этом максимальный ток ограничивается величиной порядка 25 А. Как правило, они имеют от одного до трех каналов, из которых два являются регулируемыми.

Разновидности преобразователей 12 на 220 вольт

Для правильного выбора, ознакомьтесь с основными видами преобразователей напряжения, представленными на рынке электротоваров:

По форме сигнала выходного напряжения

Устройства делятся на чистый синус и модифицированный синус. Разницу в форме сигнала видно на иллюстрации.

Дело в том, что преобразователи работают не так, как генераторы переменного тока. На входе в устройство подается постоянный ток определенной величины.

Сначала он преобразуется в импульсный (для обеспечения работы повышающего трансформатора), затем из полученного пульсирующего тока формируется синусоидальная кривая, привычная для большинства потребителей переменного напряжения 220 вольт.

Для получения гладкой кривой необходима дорогостоящая схема, а большинство производителей стараются предложить покупателю экономную цену.

Зарядным устройствам и блокам питания ноутбуков подойдет и модифицированная кривая. А звуковоспроизводящая аппаратура может работать с перебоями и сильными помехами. Некоторые блоки питания, например, в LED телевизорах, сильно греются при таком входном сигнале.

Имеются случаи выхода из строя блоков питания. Устройства с электродвигателями (например, компрессор холодильника или насос газового котла) также может работать со сбоями при подключении к преобразователю с модифицированным синусом.

По реализации повышающей функции. Способов получить переменное напряжение из постоянного достаточно много. Рассмотрим основные из них:

Трансформаторные преобразователи с 12 на 220

Имеют достаточно примитивную, но при этом эффективную конструкцию. Это самый простой преобразователь, который можно собрать своими руками.

Преобразователь на 220 из трансформатора

При помощи мультивибратора постоянный ток преобразуется в импульсный, с частотой 50 Гц. Затем повышающий трансформатор преобразует напряжение до уровня 220 вольт, на выходе монтируется стабилизатор.

Недостатком такой компоновки является большой размер и невозможность получить чистый синус. Но для простейших задач (работа зарядного устройства или паяльника) вполне сгодится.

Главная задача, которую нужно решить – как намотать трансформатор для преобразователя. Подойдет тороидальный сердечник (для компактности) от любого ненужного блока питания.

Понятное дело, во вторичной обмотке витков должно быть больше в соответствие с коэффициентом повышения. Мощность подобных устройств обычно не превышает 200 Вт.

Преобразователи на задающем генераторе

Обычно для этих целей используется микросхема КР1211ЕУ1. Главная деталь преобразователя отечественного производства, поэтому ее стоимость невысокая.

После того, как генератор задаст переменное напряжение – сигнал уходит на ключи, выполненные на транзисторах IRL2505.

Схема преобразователя с 12 на 220

Далее подключается повышающий трансформатор, на выходе которого сформировано переменное напряжение 220 вольт. Для снижения влияния высокочастотных импульсов, которые многократно усиливаются на вторичной обмотке – установлен подавляющий конденсатор.

Мощность преобразователя может достигать 500 Вт, в зависимости от трансформатора. Его подбирают с запасом, превышающим номинал в 2,5 раза.

Нагрузка на остальные элементы не такая высокая. Например, при выходной мощности, не превышающей значение 200 Вт, ключевые транзисторы работают без радиаторов.

Более совершенными с технической точки зрения являются преобразователи на ШИМ контроллерах. Такие устройства на выходе дают чистый синус, а также имеют высокий КПД.

Схема преобразователя на ШИМ контроллерах

Совершенная схема позволяет создать мощные устройства (1-2 кВт) при относительно компактных размерах. Габариты определяют радиаторы охлаждения и система вентиляции. Высокая стоимость элементной базы выводит прибор из разряда бюджетных.

Однако в сравнении с промышленными образцами, экономия при самостоятельной сборке существенная. Такой преобразователь осилит и питание холодильника.

А качественная форма выходного сигнала позволит подключать требовательные потребители – телевизоры и музыкальные центры.

Однако наибольшим спросом все же пользуются компактные устройства, предназначенные для питания гаджетов поменьше. Схема преобразователя 12 220 на транзисторах доступна каждому радиолюбителю, умеющему держать в руках паяльник.

Схема преобразователя 12 220 на транзисторах

Собрав такую схему в аккуратном корпусе, можно установить ее в автомобиле, и у вас будет настоящая бортовая розетка 220 вольт.

Конструкции пускорегулирующих модулей

Конструкции промышленных и бытовых люминесцентных лампочек, как правило, оснащаются модулями ЭПРА. Аббревиатура читается вполне доходчиво – электронный пускорегулирующий аппарат.

Электромагнитное устройство старого образца

Рассматривая конструкцию этого устройства из серии электромагнитной классики, сразу можно отметить явный недостаток – громоздкость модуля.

Правда, конструкторы всегда стремились минимизировать габаритные размеры ЭМПРА. В какой-то степени это удалось, судя по современным модификациям уже в виде ЭПРА.


Набор функциональных элементов электромагнитного пускорегулирующего устройства. Его составными частями, как видно, являются всего два компонента – дроссель (так называемый балласт) и стартер (схема формирования разряда)

Громоздкость электромагнитной конструкции обусловлена внедрением в схему крупногабаритного дросселя – обязательного элемента, предназначенного сглаживать сетевое напряжение и выступать в качестве балласта.

Помимо дросселя, в состав схемы ЭМПРА входят стартеры (один или два). Очевидна зависимость качества их работы и долговечности лампы, т. к. дефект стартера вызывает фальшивый старт, что означает перегрузку по току на нитях накала.


Так выглядит один из конструктивных вариантов стартера пускорегулирующего электромагнитного модуля люминесцентных ламп. Существует масса других конструкций, где отмечается разница в размерах, материалах корпуса

Наряду с ненадежностью стартерного пуска, люминесцентные лампы страдают от эффекта стробирования. Проявляется он в виде мерцания с определенной частотой, близкой к 50 Гц.

Наконец, пускорегулирующий аппарат обеспечивает значительные энергетические потери, то есть в целом снижает КПД ламп люминесцентного типа.

Усовершенствование конструкции до ЭПРА

Начиная с 1990 годов, схемы люминесцентных ламп все чаще стали дополнять усовершенствованной конструкцией пускорегулирующего модуля.

Основу модернизированного модуля составили полупроводниковые электронные элементы. Соответственно, уменьшились габариты устройства, а качество работы отмечается на более высоком уровне.


Результат модификации электромагнитных регуляторов – электронные полупроводниковые устройства запуска и регулировки свечения люминесцентных ламп. С технической точки зрения, отличаются более высокими эксплуатационными показателями

Внедрение полупроводниковых ЭПРА привело практически к полному исключению недостатков, какие присутствовали в схемах аппаратов устаревшего формата.

Электронные модули показывают качественную стабильную работу и увеличивают долговечность люминесцентных светильников.

Более высокий КПД, плавное регулирование яркости, повышенный коэффициент мощности – все это преимущественные показатели новых модулей ЭПРА.

Применение

Мостовая схема лучше всего подходит для мощных источников питания с высоковольтным входом. На такой схеме строятся, например, большинство импульсных сварочных аппаратов.

У схемы два основных недостатка. Во-первых, высокие потери на проводимость при больших входных токах. Во-вторых, сложность, большое количество компонентов, а значит высокая стоимость.

Диоды VD12, VD13 HER308.

Номиналы следующих элементов выбираются согласно рекомендациям производителя IR2184.

Резисторы R21, R22, R23, R24 20 Ом.

Конденсаторы C10, C11 1 мкФ, рассчитанные на напряжение питания драйверов.

Схема

Импульсный БП состоит из следующих функциональных блоков:

  • фильтр. Не пропускает помехи из сети и обратно (генерируются самим БП);
  • выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Обычный диодный мост, дает на выходе почти ровное (с низким коэффициентом пульсаций) постоянное напряжение, равное действующему значению переменного селевого напряжения — 311 В;
  • инвертор. Состоит из быстро переключающихся силовых ключевых транзисторов и управляющей ими микросхемы. На выходе дает прямоугольный переменный ток. Процесс преобразования в инверторе называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а микросхему — ШИМ-контроллером. В рабочем режиме реализована обратная связь, потому в зависимости от мощности подключенной к БП загрузки, контроллер регулирует продолжительность открытия транзисторов, то есть ширину импульсов. Также благодаря обратной связи, компенсируются скачки напряжения на входе и броски, обусловленные коммутацией мощных потребителей. Это обеспечивает высокое качество выходного напряжения;
  • импульсный высокочастотный трансформатор. Понижает напряжение до требуемых 12 или 24 В;
  • выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Преобразует высокочастотное переменное напряжение в постоянное.

Дроссель переменного тока

Основной элемент сетевого фильтра — дроссель. Его сопротивление (индуктивное) возрастает с увеличением частоты тока, потому высокочастотные помехи нейтрализуются, а ток частотой 50 Гц проходит свободно. Дроссель работает тем эффективнее, чем больше размеры магнитопровода, толщина проволоки и больше витков. Дополнительно установленные конденсаторы улучшают фильтрацию, закорачивая высокочастотные помехи и отводя их на «землю».

Также емкостные сопротивления не позволяют в/ч помехам, генерируемым БП, поступать в сеть. Высокочастотный трансформатор отличается от обычного материалом магнитопровода: используются ферриты или альсифер. Выпрямитель после трансформатора собирается на диодах Шоттки, отличающихся высоким быстродействием.

Существует два способа генерации высокочастотного переменного тока:

  1. однотактная схема. Применяется в БП небольшой мощности — до 50 Вт (зарядки телефонов, планшетов и т.п.). Конструкция простая, но у нее велика амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора (защищается резисторами и конденсаторами);
  2. двухтактная схема. Сложнее в устройстве, но выигрывает в экономичности (выше КПД). Двухтактная схема делится на три разновидности:
    1. двухполупериодная. Самый простой вариант;
  3. двухполярная. Отличается от предыдущей присутствием 2-х дополнительных диодов и сглаживающего конденсатора. Реализован обратноходовый принцип работы. Такие схемы широко применяются в усилителях мощности. Важная особенность: продлевается срок службы конденсаторов за счет того, что через них протекают меньшие токи;
  4. прямоходовая. Используется в БП большой мощности (В ПК и т.п. устройствах). Выделяется наличием габаритного дросселя, накапливающего энергию импульсов ШИМ (направляются на него через два диода, обеспечивающих одинаковую полярность).

2-тактные БП отличаются схемой силового каскада, есть три модификации:

  1. полумостовая: чувствительна к перегрузкам, потому требуется сложная защита;
  2. мостовая: более экономична, но сложна в наладке;
  3. пушпульная. Наиболее экономична и потому весьма востребована, особенно в мощных БП. Отличается присутствием среднего вывода у первичной и вторичной обмоток трансформатора. В течение периода работает то одна, то другая полуобмотка, подключаемая соответствующим ключевым транзистором.

Стабилизации выходного напряжения добиваются следующими способами:

  • применением дополнительной обмотки на трансформаторе. Это самый простой способ, но и наименее действенный. Снимаемое с нее напряжение корректирует сигнал на первичной обмотке;
  • применением оптопары. Это более эффективный способ. Основные элементы оптопары — светодиод и фототранзистор. Схема устроена так, что протекающий через светодиод ток пропорционален выходному напряжению. Свечение диода управляет работой фототранзистора, подающего сигналы ШИМ-контроллеру.

Таким образом, в данной методике контролируется непосредственно напряжение на вторичной обмотке, при этом отсутствует гальваническая связь с генератором ключевого каскада.

При подключении последовательно с оптопарой стабилитрона качество стабилизации становится еще выше.

Заключение

  1. При сравнении стоимости автономных инверторов для установок индукционного нагрева металлов в качестве обобщенного критерия предлагается произведение выходной мощности на номинальную частоту выходного тока.
  2. Эффективность использования силовых элементов в автономных инверторах с одинаковыми обобщенными критериями предлагается оценивать по доли стоимости основных тиристоров и обратных диодов, силовых конденсаторов и катушек индуктивности.
  3. В ходе сравнительного анализа выявлены рациональные области использования типовых схем тиристорных автономных инверторов при эффективной загрузке элементов по установленной мощности и напряжении питания 520 В. Четвертьмостовая схема обеспечивает повышенную частоту выходного тока (до 20 кГц) при выходной мощности до 40 кВт. Мостовой тиристорный инвертор эффективен для применения в установках индукционного нагрева большой мощности (до 400 кВт) и пониженной частоте выходного тока (до 2 кГц).
  4. Массо-габаритные и энергетические показатели инверторно-индукционных силовых установок взаимосвязаны, но они еще не достигли предельных значений, что является основным направлением совершенствования таких установок.

Продолжение следует

Заключение

Все «навесные» дополнения, такие как дроссель или амперметр, лучше монтировать отдельной приставкой, которая включается в разрыв любой из сварочных жил посредством штекера типа байонет. Таким образом внутри корпуса инвертора сохранится достаточно пространства для вентиляции, а дополнительные устройства можно будет легко отключить за ненадобностью.

Нужно помнить, что кардинальной, глубокой модернизации провести не получится, иными словами, «РЕСАНТУ» в KEMPPI разумными силами и средствами не превратить. Однако изготовление приспособлений и мелкая доработка оборудования — отличный способ лучше изучить технологию дуговой сварки и проникнуться профессиональными тонкостями.

Выводы

  1. Двухтрансформаторный мостовой DC/DC-преобразователь напряжения выгодно отличается от других возможных вариантов мостовых схем минимальным количеством электромагнитных компонентов, улучшенной технологичностью и пониженной стоимостью.
  2. Пульсации выходного напряжения определяются индуктивностью намагничивания силового трансформатора, приведенной к вторичной обмотке (n2Lμ), и активным сопротивлением схемы замещения выходного конденсатора. Выходная пульсация растет при снижении уровня выходного напряжения.
  3. На регулировочную характеристику преобразователя напряжения оказывают влияние падения напряжений на элементах схемы и проводниках печатной платы, индуктивность рассеяния обмоток и частота переключения, что следует учитывать при проектировании.
  4. Расчет силового трансформатора следует проводить с учетом постоянной и переменной составляющих индукции в сердечнике. 

Похожие записи:

Автомобильная антенна своими руками Бордюры для клумбы и дорожек своими руками из бетона Топ 10 самых красивых ручек для топоров. фото уникальных топорищ Поделки из труб Видео мастер-класс материалы и инструменты день рождения рисование и живопись копировальная бумага своими руками или как писать красивым почерком на разных поверхностях открытка дерево ткань и др бумага гуашь карандаш картон Как создать голограмму при помощи смартфона и пластика