高効率の強力な 24/12 ボルト電圧コンバーター。スキーム、説明

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高効率の強力な 24/12 ボルト電圧コンバータ。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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ほとんどすべての自動車機器 (ラジオレコーダー、テレビ、冷蔵庫、さらにはバックライトも!) は 12 V ± 2 ... 3 V 向けに設計されており、24 V ネットワークに直接接続すると、即座に故障します。

最も簡単な方法は、標準バッテリーの「半分」からデバイスにほぼ対称的に電力を供給することです (たとえば、ラジオテープレコーダーは 12 つの 12 ボルトバッテリーから、テレビはそこから) が、それは不可能です。完全な対称性を達成するには、結果として、バッテリーの一方が常に再充電され、もう一方は充電不足になります。その結果、両方のバッテリーの耐用年数が大幅に減少します。したがって、唯一の解決策は、電圧コンバータをそのようなデバイスに必要な 2 V に下げることですが、最新のカーラジオの最大音量では、電流は 4 ... 1 ... 5 A になります。自動車機器は暑い気候で動作することが多く、それ自体が非常に高温であるため、回路のパワー素子の発熱は最小限にする必要があります (つまり、効率は最大限に高められます)。

そのようなコンバータの図を図1.11に示します。 XNUMX。

クロックジェネレータは DD1.1 タイマーに組み込まれており、ピン 5 からのその短いパルスが DD1.2 タイマーの PWM 変調器を開始します。 555 マイクロ回路の内部機能により、入力 S でのトリガーパルスの持続時間はできるだけ短くする必要があります。そのため、DD1.1 のジェネレーターは、抵抗器 R1 の抵抗 (コンデンサ C1 が介在する) によってアンバランスになります。放電）は抵抗 R2 の数百分の 1 です。ほとんどの場合、R100 の結論は通常短絡できますが、危険を冒さずに小さな抵抗（330 ... XNUMX オーム）をはんだ付けすることをお勧めします。

米。 1.11. コンバータの電気図 (クリックして拡大)

装置の動作原理

変調器は通常の方法で DD1.2 タイマー上に組み立てられます。REF 入力の電圧が減少すると、出力の単一パルス (一定周期) の持続時間が減少します。つまり、出力電圧が減少します。サーミスタ R4 は、主要なトランジスタのラジエーターが 80 ～ 100 °C を超えて加熱された場合に過熱に対する保護を提供します。その抵抗は、RES 入力 (1.0 V) でのマイクロ回路のスイッチング閾値を下回って減少し、論理ゼロが強制的に設定されます。トランジスタが冷えるまでマイクロ回路の出力を停止します。この場合、両方のキートランジスタが閉じ、出力電圧は消えます。

この超小型回路は、RES 入力に小さなスイッチングヒステリシス (約 40 mV) を持っているため、サーミスタとラジエーターが確実に熱接触しているため、スイッチングバウンスはありません。干渉に対する追加の保護のために、コンデンサ C3 が回路に追加されます。その容量を数百マイクロファラッドに増やすことが望ましいです。

IR2103 (DD2) チップがパワートランジスタドライバーとして選択されました。このデバイスにとって、このマイクロ回路はあらゆる点で理想的であると同時に、コストもそれほど高くありません。入力の XNUMX つは直接入力で、もう XNUMX つは反転入力です。これにより、外部インバータのコストが節約されました。

このマイクロ回路には、両方のトランジスタの同時ロック解除（電流の通過）を防止するロジックが組み込まれており、出力パルス間の一時停止（「デッドタイム」、デッドタイム）発生器が備わっています。これにより、外部接続回路の数を最小限に抑えることが可能になりました。追加の論理要素に保護を構築しません。このマイクロ回路は、出力電界効果トランジスタを直接制御するのに十分な強力な出力も備えています。これにより、エミッタフォロアの 4 つの外部トランジスタが節約され、マイクロ回路の「ハイライト」は、上位レベルの「フローティング」電圧です (電圧差は可能です)。 600 V に達します!) マイクロ回路自体の内部で完全に電気的に絶縁されています。この「チップ」がなければ、高速 (そして高価な) フォトカプラとさらに XNUMX 個の素子を導入することにより、回路を非常に複雑にする必要があります。

マイクロ回路は一般的な回路に従って接続されており、ピン 2 と 3 は相互に接続できますが、熱保護が作動したときにコンバータが正しく動作するように、R6 C4 チェーンを残しておくことをお勧めします。そうしないと、この状況ではローレベルのトランジスタが常にオンになり、出力が短絡します。結論 Vs - 高電圧（絶縁）部分の共通線、出力V、その電力出力（+10 ... +20 V）。この回路では、回路の下側のトランジスタ (VT2) は開いたままで、Vs は共通のワイヤに接続され、コンデンサ C5 はダイオード VD1 を介してほぼ電源電圧まで充電されます。しばらくすると、VT2 が閉じますが、漏れ電流が非常に小さいため、コンデンサ C5 の電荷は残ります。論理ユニットが HIN 入力に到達すると、NO 出力は内部トランジスタによって V 端子に接続されます。つまり、コンデンサがトランジスタ VT1 のゲートを充電し、ゲートが開きます。トランジスタのゲートリーク電流は非常に小さく、その静電容量は C5 の静電容量の数百分の 5 であるため、トランジスタは飽和状態までロック解除され、回路の効率は可能な限り高くなります。次のサイクルでは、CXNUMX が再び充電されます。

電圧レギュレータはトランジスタ VT3 に組み込まれています。出力電圧が 12 V を超えるとすぐに、VD2 ツェナーダイオードに電流が流れ、トランジスタがわずかに開き、変調器の REF 入力の電圧が低下します。単一パルスの持続時間はわずかに短くなり、動的バランスが得られます。コンデンサ C7 または C8 は、ツェナーダイオードとトランジスタのノイズを抑制するために必要です。これらのコンデンサの 12 つをはんだ付けするだけで済みます。どちらがセットアップ中に選択されるかは、インストールと使用される要素によって異なります。コンデンサがないと、DC 出力にノイズが発生し (コイルがノイズを発生する様子が聞こえます)、トランジスタの加熱により効率がわずかに低下しますが、両方のコンデンサがはんだ付けされている場合、回路は励起されます。抵抗器 R0.3 の抵抗値はフィードバック回路のゲインを制限し、値が大きいほどコンバータの動作が不安定になります。指定された抵抗値を使用すると、出力電圧は負荷電流に応じて 0,5 ～ 12 V 以内に変化しますが、これはこのようなコンバータには十分です。係数 h が小さいトランジスタを使用する場合、抵抗 R2 の抵抗を 10 ... XNUMX kOhm に下げることができます。

インバーターの電源線はバッテリーに直接接続する必要があります。そうしないと (イグニッションスイッチの後に接続されている場合)、車のイグニッションシステムおよびその他の電気機器がコンバータと干渉します。さらに、彼自身もそうするだろう。

機械の電子機器に影響を与えるため、場合によっては危険な場合があります。コンバータは、負荷がオフの場合でもアイドル静止電流 (この回路は約 30 ～ 50 mA) を消費するため、トランジスタ VT4、VT5 のスイッチが回路に追加されました。低電力制御回路のみに電源を切り替え、出力トランジスタはバッテリーに直接接続されているため、電源部での電力損失はありません。 5 V を超える電圧が「制御入力」に印加されると (この入力はイグニッションスイッチに接続することも、低電力スイッチを使用して +24 V に接続することもできます)、トランジスタ VT4 が開き、トランジスタ VT5 のロックが解除され、トランジスタ VT1 に電圧が供給されます。スタビライザーチップDAXNUMX。

回路を正の電圧で駆動できるように、10 つのトランジスタが使用されています。コンデンサ CXNUMX は接点のバウンスを滑らかにします。スイッチのキー動作を保証するための正帰還はありませんが、回路が常にキーモードで動作するように XNUMX つのトランジスタのゲインを非常に大きくする必要はありません (数万)。

抵抗 R13 は、ケースへの偶発的な短絡が発生した場合にコンバータ回路を故障から保護し、入力電圧を下げて DA1 スタビライザの発熱を軽減します。

「制御入力」に電圧が存在しない場合、すべてのマイクロ回路は非通電となり、DD2 マイクロ回路では、ピン 4 と 5、6 と 7 が小さな抵抗の内部抵抗器によって接続され、両方の主要なトランジスタが閉じます。このモードでの消費電流は主にフィルタコンデンサ C9 の漏れ電流のみによって決まり、数百マイクロアンペアを超えることはありません。

グラフィックを簡略化するために、図では電源回路の配線は示されていませんが、この回路は前に説明したものと同じくらい敏感です。抵抗器Ｒ１１の共通出力はコンデンサＣ６に接続され、抵抗器Ｒ１２の左側（図によれば）のフィードバック要素は出力１４ＤＤ１に接続される。

フィルタリングコンデンサＣ６およびＣ９は、好ましくは、より小さい容量の２つまたは３つの並列接続されたコンデンサから選択される。定格電流で動作している場合、これらのコンデンサはコンバータの電源を入れてから 6 分間は冷たいままであり、9 ～ 5 °C を超えて発熱することはありません。さまざまなメーカーのコンデンサを使用してみるのは合理的です。いずれの場合も、同じ静電容量と電圧の場合、コンデンサケースのサイズが大きいほど、パフォーマンスが向上します。

適切に組み立てられたコンバータでは、負荷電流 3.4 A で、ラジエーターがなくても、トランジスタ VT1 および VT2 のケースの加熱は 50 ～ 70 °C を超えません。したがって、そのような電流で動作する場合、各トランジスタにはサイズが30x50 mmの十分な小さなヒートシンクプレートがあり、それらは接触しないはずです。最大 10 A の負荷電流で動作する場合、より本格的なラジエーター、少なくとも 50x100 mm の寸法のニードルラジエーターが必要です (両方のトランジスタの場合、トランジスタはそれから絶縁されている必要があります。このためには、取り付けを使用すると便利です)古いコンピュータ電源からのキット）、またはコンバータケースのベースに金属板を取り付け、その上にトランジスタを置き、動作中に熱くならない「鉄片」にケースのベースを押し付けることもできます。機械本体、バッテリーに近い部分。この場合、良好な熱接触を確保し、両面を洗浄する必要があり、熱伝導性ペーストを使用することが望ましい。

詳細について

著者のバージョンのコイル L1 は、直径 48、高さ 30 mm の装甲コア (カップ) で作られており、コアの半分の間に新聞紙の XNUMX 層が置かれています。

巻線は、直径 1,5 mm の 24 本の並列接続された変圧器ワイヤに巻かれ、フレームが満たされるまでの巻数 (約 30 ... 7) です。このようなコイルは、3Aの一定負荷電流では冷たいままでした。最大5 ... 2Aの負荷電流では、K3x50x40リングを10〜40個取り、直径のワイヤで50 ... 1ターン巻くことができます。 2～4本のワイヤで約XNUMX mm。

または、ほぼ同じサイズで、できれば分割された、パルスコンバータ用の他のフェライトコアを使用することもできます。

NE556マイクロ回路の代わりに、555つの1006マイクロ回路またはその国産コピーKR1VI817を使用でき、トランジスタの代わりに、BC3102の代わりにKT807Bを、VS3107の代わりにKT5Bを配置できます。コンデンサ C1 は低 ESR、つまりフィルムまたはセラミックである必要があり、ダイオード VDXNUMX は高速で、静電容量と逆回復時間が低い必要があります。

極端な場合には、容量 1 μF の電解コンデンサと容量 0 ～ 1 μF のセラミック多層 (ディスクではありません!) を並列接続し、ダイオードを KD521 などに置き換えることができます。そうしないと、トランジスタ VT1 が非常に熱くなります。オープンチャネル抵抗が1オーム以下の電界効果トランジスタVT2およびVT0,03を使用することが望ましい;著者のバージョンでは、IRFZ723Nの類似品であるKP46Aが使用されました。

最大 5 A の負荷電流では、デュアルおよび高周波数の IRFI4024H トランジスタを使用するのが最適です。これらのトランジスタは絶縁された TO220-5 パッケージで作られています (つまり、ケースをヒートシンクから絶縁する必要はありません)。また、最大 2103 ～ 200 kHz の周波数で IR500 ドライバと連携して動作することができます (IRFZ30 などの場合は 70 ～ 46 kHz)。

サーミスタ R4 は、室温での抵抗が 5 kOhm を超える、任意の小型のもので構いません (事故の場合に迅速に加熱するため)。

熱保護は使用前に校正する必要があります。私たちはこれを次のように行います。サーミスタのリード線にワイヤをはんだ付けし、いくつかの丈夫な袋に入れて入れ子にし、沸騰したお湯の中に入れます。 12分後、サーミスタの抵抗を測定し（袋の中に水や蒸気が入っていないことを確認する必要があります）、この数値に15 ... 3を掛けます。これは抵抗器R80の抵抗になるはずです。熱保護は100～XNUMX℃の温度で機能します。

サーミスタは、熱伝導性ペーストで接触点を慎重に潤滑し、必要に応じて電気絶縁に注意しながら、トランジスタにできるだけ近いラジエーターに取り付ける必要があります。

また、場合によっては、抵抗器 R8 の抵抗値を選択する必要があります。コンデンサ C3 の端子が短絡したときに、端子 5 DD2 の電圧がゼロになるようにする必要があります。

施設の特徴

DD2 チップに組み込まれた保護ロジックのおかげで、キートランジスタ VT1 と VT2 をはんだ付けして初めてコンバータをオンにすることができますが、念のため (トラックが突然誤って分離された場合)、 24 V、1 ... 2 A の電球を介してバッテリーに接続します。コンデンサ C7 と C8 ははんだ付けされていません。負荷として、クリスマスツリーのガーランドからの 12 つの直列接続された電球 (0,16 V、12 A) をデバイスの出力に接続します。コンバータの通常動作中、これらのランプは点灯している必要があります (コンバータの出力電圧は約 6 V ですが、8 ～ 15 V を超え 200 V 未満である必要があります)。電源ランプは点灯しません。そこを流れる電流は 1 mA を超えてはなりません。同時に、適切な設置と保守可能な部品による調整は必要ありませんが、スイッチの正しい動作をチェックし、「オフ」モードでの消費電流が XNUMX mA を超えないことを確認します。

それより大きい場合は、コンデンサ C9 をはんだ付けして測定を繰り返します。減少した場合は、より良いコンデンサを取り付けます。変化しない場合は、同じコンデンサをはんだ付けして、両方のフィールド抵抗のゲート端子とソース端子の間に 10 kΩ の抵抗をはんだ付けします。

動作中にコンバータから音が発生しても笛が鳴ってはなりません。コンデンサ C1 と C2 の静電容量を減らして動作周波数を上げる必要があります。 200 pF の静電容量を使用しても高周波のきしみが消えない場合は、回路が励起されている可能性があります。

その後、負荷をオフにして回路が消費する電流を測定します; 40 ... 70 mA 以内であるはずです。それがはるかに大きい場合は、L1 コイルのインダクタンスが不十分であり、動作周波数を上げる必要があることを意味します (回路がすでに超音波 (不可聴) 周波数で動作している場合は、これを行わない方が良いです!)、またはコイルをさらに XNUMX ～ XNUMX 回巻きます。

次に、電源回路内の電球の代わりに、測定限界が 5 A を超える電流計をオンにし、消費電流が 2 ～ 4 A の電球を出力に接続します (つまり、電力は 24 ... 48 W)。電池から回路によって消費される電流は、電球を流れる電流の約 2 分の 2 である必要があります。ラジエーターのない両方の電界効果トランジスタは (負荷電流 50 A で) 加熱しないようにするか、最大電流ではゆっくりと加熱する必要があります。約70～XNUMX℃まで温めます。

さらに、両方のトランジスタの温度はほぼ同じでなければなりません。

VT2 が VT1 よりも著しく発熱する場合は、直列接続された LED と 1 ～ 10 kOhm の抵抗を使用してゲートに信号があることを確認し、それらを共通線とトランジスタのゲートの間に接続する必要があります。 LED の点灯が VT1 ゲートよりもはるかに弱い場合、またはまったく点灯しない場合は、コンデンサ C4 の容量を増やす必要があります。

回路には電流保護 (短絡に対する) が備わっていないため、負荷は 5 ～ 10 A ヒューズを介して接続する必要があります。ヒューズは車のヒューズボックスまたはケース (プラス線) に配置できます。コンバーター。

負荷電流が 5 A の場合、バッテリからのワイヤは 1 mm (銅線) 以上、負荷へのワイヤは 1,5 mm 以上、大電流ではワイヤを太くする必要があります。

チャネル抵抗が低く、より強力なトランジスタを使用すると、回路を同じ加熱しても出力電流を数倍に増やすことができますが、その場合はドライバーチップを交換する必要があります。 IR2103 は IRFZ46 トランジスタに「かろうじて対応」しており、より強力なトランジスタには対応できない可能性があります。 IR2183 チップの理想的な代替品は、特性、ピン配列、パッケージタイプの点で完全に類似していますが、出力電流は最大 1,7 A です。基板を変更することなく、IR2103 の代わりにハンダ付けするだけで済みます。この場合、コンデンサC5の静電容量を数倍（少なくとも1μF）増やすことが望ましく、それはフィルムでなければなりません。

著者：Kashkarov A. P.、Koldunov A. S.

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