ネットワーク機器に電力を供給するための強力な安定化 DC 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

無線電子工学と電気工学の百科事典 / 電圧変換器、整流器、インバーター

 記事へのコメント

提案されたデバイスは、AC ネットワークの緊急シャットダウン時だけでなく、現場でも 220 V 50 Hz のネットワークから動作する機器に電力を供給するように設計されています。 コンバーターはブロック設計になっています。 安定化した310Vの直流電圧、または実効値220Vの同じ振幅の交流パルス電圧を負荷に供給します。LCフィルタを追加すると、正弦波状の220Vの交流電圧が得られます。

現代人の日常生活には電化製品が広く使われています。 圧倒的多数の場合、彼らのエネルギー源は電圧 220 V の交流ネットワークです。同時に、我が国の多くの地域の電力供給の信頼性はそれほど高くありません。 アマチュア無線の文献には、ネットワークに電圧がないときに消費者に電力を供給するのに適した、DC バッテリ電圧を AC 電圧に変換するコンバータに関する多くの記事が掲載されています。 これらは、低周波数 [1-4] または高周波数 [5、6] 変換の原理に基づいて動作します。 これらのタイプのコンバータにはそれぞれ独自の特徴があります。

低周波用は低周波トランスを使用しているため質量や寸法が大きくなります。 コンバータ[3]では、出力電圧の平均整流値のみが安定しますが、振幅と実効値は安定せず、場合によっては受電負荷の損傷につながる可能性があります。 コンバータ [4] は、フィードバックなしで出力電圧を段階的に調整するため、出力電圧の高い安定性が得られません。

超音波周波数 (数十キロヘルツ) で動作するコンバータ [5、6] は重量とサイズの点で優れていますが、出力電力は 300 W を超えません。 著者は、より高電力の負荷に電力を供給する必要がありました。 提案したデバイスを開発する際、著者は高周波変換の利点を維持し、出力電力を 1 kW に増加することを試みました。

主な技術的特徴 (周囲温度13～20℃の場合)

• 供給電圧、V......10,5...15
• 消費電流、A 無負荷時....0,07
• 最大負荷時....100出力電圧、V
• パーマネント.......300... 310
• パルス、ピーク値.......300...310
• 実効値…212…220
• 最大出力
• パワー、W ....... 1000
• 寸法、mm.......300x250x80
• 重量、kg ...... 2,7

コンバータは 1 つのブロックで構成されています。高周波発生器の回路を図に示します。 2つ目は、整流器電圧乗算器を備えた高周波インバータ（図3）、低周波発生器（図4）、およびブリッジ低周波インバータスイッチ（図XNUMX）です。

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高周波発生器ブロック (図 1 を参照) には、トランジスタ VT1 とリレー K1 上の入力電圧制御ユニット、DA9 チップ上の 1 V 内部電源電圧安定化装置、論理素子 DD27 上の周波数 1.1 kHz のパルス発生器が含まれています。 .1.2 および DD 4、要素 VD4、R2、C5 および VD5、R3、C1.3 の遅延ユニット パルス フロント、トランジスタの出力エミッタ フォロアを備えた要素 DD1.4、DD2.3、DD2.4、DD2 の制御パルス整形器VT5-VT2.1、要素 DD2.2、DDXNUMX の出力振幅制御ユニット電圧。

図。 2

高周波インバータ ブロック (図 2 を参照) には、強力な電界効果トランジスタ VT6 ～ VT9 とトランス T1 のプッシュプル カスケードと、ダイオード VD6 ～ VD9 およびコンデンサ C7 ～ C10 で電圧を 300.310 倍にする整流器が含まれています。 このユニットは、5 V の一定の安定化電圧を生成します。交流電源電圧が負荷内で整流および平滑化されることがわかっている場合、そのような負荷は、定格電流 5 A のヒューズを介してこのユニットに接続できます (「記事への編集注記[XNUMX])。 この場合、残りのブロックは必要ありません。

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低周波発生器ブロック (図 3 を参照) には、DA9 チップ上の 2 V 内部電源電圧安定器、論理要素 DD50 および DD3.1 上の 3.2 Hz の周波数のパルス発生器、電流制限抵抗 R18 が含まれています。および R19、および要素 VD12、R20、C14 および VD13、R21、C15 のパルス エッジ遅延ユニットは、トランジスタ VT3.3 の出力エミッタ フォロアを備えた要素 DD3.4、DD4.3、DD4.4、DD11 のパルス整形器を制御します。 -VT14、トランジスタ VT10 および要素 DD4.1、DD4.2 の負荷電流制限器。

図。 4

ブリッジ低周波インバータ整流子 (図 4) には、強力な重要な電界効果トランジスタ VT17 ～ VT20 上のブリッジと、電流センサー - 抵抗 R33 が含まれています。 下側トランジスタＶＴ１８、ＶＴ２０のゲートには直接制御パルスが供給され、上側のインバータを介して上側トランジスタＶＴ１７、ＶＴ１９のゲートには制御パルスが供給される。 18 つのインバーターは要素 VT20、VT17、R19、R15、C16、VD30、VD31 に組み立てられ、16 つ目は VT14、VT15、R21、R22、C35、VD36、VD17 に組み立てられます。 ブリッジの一方の対角には 16 V の定電圧が供給され、もう一方の対角にはヒューズ FU17 を介して負荷が接続されます。

コンバーターはこんな感じで動作します。 供給バッテリの電圧が 10,5 V を超える場合、トランジスタ VT1 が開き、リレー K1 が作動し、その接点 K1.1 を介して供給電圧が DA1 および DA2 マイクロ回路の電圧安定器に供給されます。 バッテリ電圧が 10,5 V 未満に低下すると、トランジスタ VT1 が閉じ、接点 K1.1 が開き、発電機への電力がオフになります。その結果、すべてのスイッチング トランジスタ VT6 ～ VT9 が閉じ、コンバータがオフになります。 ターンオン電圧はトリミング抵抗 R3 によって調整されます。 電磁リレーＫ１のオン電圧がオフ電圧よりも大きいため、トランジスタＶＴ１のノードの特性はヒステリシスが小さく、実用上十分である。

要素 DD1.1 および DD1.2 上の発電機の発振周波数は、抵抗器 R1、R2 の抵抗値とコンデンサ C1 の静電容量に依存します。 ジェネレータの逆位相出力 (DD3 マイクロ回路のピン 4 と 1) から、パルスがパルス エッジ遅延ノードに供給されます。 さらに、彼らの衰退はほとんど遅延なく伝達されます。 パルスエッジの遅延時間は回路 R4C2 と R5C3 の時定数によって決まりますが、これらは同じである必要があります。

シェーパの特性にはヒステリシスがあり、その大きさは正帰還回路抵抗器 (POC) R6 と R8、R7 と R9 の抵抗比によって異なります。 整形器の出力から、トランジスタＶＴ２〜ＶＴ５のエミッタフォロワを介して制御パルスがキートランジスタＶＴ６〜ＶＴ９のゲートに供給される。

ダイオード VD6 ～ VD9 とコンデンサ C7 ～ C10 を使用した整流器は、次の理由により電圧を XNUMX 倍にするように設計されています。 漏れインダクタンスを減らすために、トランスの一次巻線と二次巻線を一層で巻くことをお勧めします。 倍電圧器を使用することで、二次巻線の巻数をXNUMX分のXNUMXに減らし、単層にすることが可能です。

整流器出力からの電圧は分圧器 R10R11 に供給されます。 トリミング抵抗器 R11 のエンジンからそれに比例する電圧が、抵抗器 R2.1 と R2.2 の PIC 回路を備えた要素 DD12 と DD13 のノードの入力に供給され、ヒステリシスのあるスイッチング特性が作成されます。 電源投入後、整流器の出力電圧が上昇します。 スイッチングしきい値の上限 (310 V) に達すると、マイクロ回路 DD2.1 および DD9 のピン 1 に接続されている要素 DD2 の出力がロー レベルに設定され、エミッタ フォロワへのパルスの通過が禁止されます。その結果、すべての主要なトランジスタが閉じられます。

その後、コンデンサ C9、C10 の放電により整流器の出力電圧が低下します。 スイッチングしきい値の下限 (300 V) まで低下すると、要素 DD2.1 の出力がハイ レベルに設定され、再びエミッタ フォロワへのパルスの通過が可能になり、その結果、整流器の出力電圧が上昇します。上限閾値まで増加します。 トリミング抵抗 R11 のスライダーを移動することで整流器の出力電圧を調整でき、抵抗 R13 を選択することでスイッチングしきい値の差を調整できます。 抵抗器 R13 の抵抗値を大きくすると小さくなり、小さくすると大きくなります。

低周波発生器のノード (図 3 を参照) は高周波発生器の対応するノードと似ていますが、低周波発生器のタイミング コンデンサの容量が大きいため、抵抗 R18 と R19 が追加されています。これにより、コンデンサ C14 および C15 の放電電流が制限され、DD3 マイクロ回路の出力 (ピン 3 および 4) が過負荷から保護されます。

コンバータ過負荷保護ユニットは、トランジスタ VT10、素子 DD4.1、DD4.2、および抵抗 R25、R26、R29 に組み込まれています。 コンバータの負荷電流が許容値を超えると、電流センサーである抵抗器 R33 の電圧が 0,7 V に増加します。この場合、トランジスタ VT10 が開き、素子 DD4.2 の出力がロー レベルに設定されます。 ９つのマイクロ回路ＤＤ３およびＤＤ４のピンに供給され、その結果、トランジスタＶＴ１１～ＶＴ１４のエミッタフォロワへのパルスの通過が禁止される。 VT9-VT3 ブリッジの主要なトランジスタはすべて閉じています。

ブリッジ低周波インバータ スイッチ (図 4) は次のように動作します。 パルス間の休止中、上記のエミッタフォロワの出力の電圧はゼロであるため、トランジスタ VT16 と VT21 は開き、他のすべては閉じます。 パルスがゲート VT15 と VT20 に到達すると、これらのトランジスタと VT17 が開きます。 パルスがゲート VT18 および VT22 に到達すると、これらのトランジスタと VT19 が開きます。 その結果、ブリッジの出力では、振幅が 620 V、実効値が 220 V の長方形の多極電圧パルスが一時停止によって分離されて形成されます。ブリッジの直列接続されたトランジスタを流れる電流は除外されます。

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一部の消費者は、正弦波形式の交流電源電圧を必要とします。 この場合、低周波発生器アセンブリ（図3を参照）を別のものと交換します。その図を図5に示します。 50. このブロックは、DA4.1 オペアンプで周波数 4.2 Hz の正弦波電圧発生器、DA44 オペアンプで位相反転器、25 つの積分回路 R49C30 および R23C24、25 つのエミッタフォロア VT26 VT50、VT52 を使用します。 VT54 と抵抗 R51R55R57 および RXNUMXRXNUMXRXNUMX の XNUMX つの加算器。

図。 6

OUDA4.1 の出力からダイオード VD21 を介して正弦波電圧の正の半波が加算器 R51R55R57 に供給されます。 位相反転器 DA4.2 の出力からの正の半波は、VD20 ダイオードを介して加算器 R50R52R54 に供給されます。 加算器の出力から、抵抗器Ｒ５３およびＲ５６を介して電圧がパルス整形器ＤＤ５．１、ＤＤ５．２、ＤＤ６．１、ＤＤ６．２の入力に供給される。 方形パルスは積分回路の入力に供給され、鋸歯状パルスはコンデンサ C53 と C56 に形成され、コンデンサ C5.1 と C5.2 を介して 6.1 つのパルス整形器の入力に供給されます。 図の応力図。 図６は、整形器の入力におけるパルスが５０Ｈｚの１つの周波数周期にわたってどのように合計されるかを示す。 パルスの形状を明確に示すために、高周波充填期間 (6.2 kHz) が延長されています。 図では、 25,a - DD30 チップのピン 26 の電圧。 図の31、b - DD6 チップのピン 50。 その結果、27 Hz の正弦波 PWM 周波数を持つパルス シーケンスが整形器の出力で形成されます。 6,c - 出力 DD8 で。 図の5,g - DD6 の出力。 「～8 V」コンバータの出力では、6 V の振幅を持つバイポーラ PWM 信号が生成されます。その形状を図に示します。 50、d。

出力電圧の周波数 27 kHz の成分を抑制するには、負荷と直列のインダクタと負荷と並列のコンデンサをオンにする必要があります。 これらの要素は、負荷ごとに実験的に選択されます。 たとえば、100 W の負荷 (抵抗は 484 オーム) には、0,13 H のインダクタと 0,56 μF のコンデンサを備えたフィルタが必要です。 負荷抵抗が異なると、インダクタのインダクタンスは正比例して再計算され、コンデンサの静電容量は負荷抵抗に反比例します。

コンバーターのすべての部品はアルミニウム板のハウジングに収納されています。 トランジスタ VT6 ～ VT9、VT17 ～ VT20 は、熱伝導ペーストとマイカ ガスケットを使用してハウジングに固定されています。 IRFIZ44N トランジスタ (VT15 および VT22) は、ケースが完全に絶縁されているため、ガスケットなしで取り付けられます。 IRFZ44Nへの交換も可能ですが、マイカスペーサーを介しての装着が必要となります。

図。 7

1 W M3 電気モーターを備えたコンピューター電源ファンは、ケース内に常に空気を送り込み、部品を冷却します。 低電力負荷時のエネルギー消費を削減するために、スイッチ SA1 を使用してファンをオフにすることができます。 トランス T1 は、図に示すように、TVS-110 ライントランスの 7 つの磁気コアを折り重ねて巻かれています。 1. 数字は次のことを示します。 2 - 巻線。 3 - 磁気回路; 5 - 磁気回路を締め付けるクランプ。 一次巻線 (I および II) には、断面積 2 mm2,5 (2 本の 11 mm1,5 取り付けワイヤを折り重ねたもの) のワイヤを 2 回巻いた XNUMX つのセクションが含まれています。 二次巻線 (III) には、断面積 XNUMX mmXNUMX の取り付けワイヤの XNUMX 巻きのセクションが XNUMX つ含まれています。 巻線のターンは磁気コアの長さに沿って均等に分布する必要があり、巻線は単層である必要があります。

残りの要素は、表面実装によって 1 つの別々の基板に実装されます。 図に示す要素を備えたボード。 図 2 に示すように、主要なトランジスタのすぐ近くに配置されています (図 3 を参照)。 図に示す要素を備えたボード。 4、 - ブリッジ低周波インバータスイッチのトランジスタの隣（図XNUMXを参照）。

「低 ESR」カテゴリの輸入酸化物コンデンサ C6 (Jamicon WL など) を使用することをお勧めします。 そうしないと発熱します。

整流コンデンサ C7 ～ C10 の許容無効電力は十分に大きい必要があります。 このデバイスは MBGCH コンデンサを使用します。 これらのそれぞれに、容量０．０２２μＦ、定格電圧２５０ＶのグループＮ３０の無誘導セラミックコンデンサＫＭ－３が並列に接続されている。

トリマー抵抗器は SP3-1b シリーズです。 設置前に可動接点システムの保守性を確認する必要があります。

リレー K1 の動作電圧は 10 V 以下である必要があります。作成者は RES59 リレー (バージョン HP4.500.020) を使用しました。

セットアップするときは、バッテリーの代わりに、出力電圧が 10.13 V に調整できる実験用電源を使用します。コンバータの入力には 10,5 V の電圧が印加され、抵抗 R3 を使用してリレー K1 がオフになります。

次に、入力電圧が 12 V に増加します。抵抗 R1 と R2 (図 1 を参照) を選択することにより、同じ 18,5 μs のパルス幅が DD3 マイクロ回路のピン 4 と 1 に設定されます。 抵抗 R4 と R5 を選択することにより、これらのパルス間の休止期間は 5 μs に設定されます。 トリミング抵抗 R11 のドライバーは、VD305-VD60C6-C9 整流器の出力での負荷電力 7 W で +10 V の電圧です (図 2 を参照)。 抵抗 R16 と R17 (図 3) を選択すると、DD10 マイクロ回路のピン 3 と 4 で同じ 3 ミリ秒のパルス幅が確立されます。 抵抗 R20 と R21 を選択すると、これらのパルス間の休止期間は 6 ms になります。

ブロックの図を図に示します。 5、こんな感じにセットします。 回路内で同調抵抗器 R39 のスライダーを下に移動して、オペアンプ DA4.1 のジェネレーターが動作を停止するようにします。 コンデンサ C25 と C30 を選択することにより、それらの両端のノコギリ波電圧振幅は 4 V に設定されます。永久抵抗器 R52 と R55 をレオスタットとして接続された 15 kΩ トリマに一時的に置き換えます。 まず、エミッタフォロワの出力にパルスが現れるまで抵抗が最大値から滑らかに減少し、その後パルスが消えるまで増加します。

トリミング抵抗の導入部分の抵抗値をデジタル抵抗計で測定し、同じ抵抗値の定数に置き換えます。 この後、回路内でトリミング抵抗 R39 のスライダーを上に移動し、ジェネレーター出力の電圧振幅を 4 V に設定します。この場合、出力電圧はわずかに切り取られた正弦波の形状になるはずです。 必要に応じて、コンデンサ C18 と C22 を選択して、生成周波数を 50 Hz に設定する必要があります。 次に、抵抗 R50 と R51 を選択すると、抵抗 R4 と R54 の半波の振幅は 57 V になります。 DA4.1 オペアンプのジェネレータの動作を改善するには、抵抗 R47 の右側の端子と共通ワイヤの間に 40 pF のコンデンサを含める必要がある場合があります。

コンバータの電源には、車のスターター バッテリー、車載ネットワーク、電気自動車用のトラクション バッテリー、ソーラー パネル、風力発電機、水力発電機などがあります。 必要に応じて、供給電圧を 1 倍にすることができます。 これを行うには、変圧器 T2,5 の一次巻線 (I および II) に、断面積 2 mmXNUMX の取り付けワイヤの XNUMX 巻きのセクションが XNUMX つ含まれている必要があります。

著者は、ウラル チェーンソーから作られた自家製ガス発生器と、T-12 トラクターからの出力電圧 1 V、出力 150 kW の発電機を V ベルト ドライブで接続して使用しています。 出力重量比の点で、このガス発生器は多くの工業設計を上回っています。 軽量で寸法が大きいため、道路に持ち出したり、必要に応じて現場で車のバッテリーを充電したりできます。 電圧コンバータは、最大 1 kW の電力であらゆる機器に電力を供給します。

文学

1. Goreslavets A. KR1211EU1 マイクロ回路の電圧コンバータ。 - ラジオ、2001 年、第 5 号、p. 42、43。
2. Nechaev I. 電圧コンバータ 12/220 V 50 Hz。 - ラジオ、2004 年、第 9 号、p. 30、31。
3. Ozolin M. 安定化コンバータ 12/220 V。 - ラジオ、2006 年、No. 12、p. 30、31。
4. Sergeev A. 家庭用機器用の電圧コンバータ。 - ラジオ、2012 年、第 1 号、p. 29、30。
5. Ozolin M. 12 V から長方形の 300 V 50 Hz への電圧コンバーター。 - ラジオ、2007 年、第 9 号、p. 40、41。
6. インバーター「ソユーズ」CAR300。 技術的な説明

著者: A. セルゲイフ

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