Двухтактный инвертор на базе эмиттерного повторителя мощности

Двухтактный инвертор, построенный по базе эмиттерного повторителя мощности , представляет собой двухтактный импульсный источник тока, с малым весом и небольшими габаритами. Используется для зарядки аккумуляторов при стабильном напряжении. Максимального ток, установленный в начале заряда, снижается к концу до состояния буферного подзаряда - это близко по характеристике к зарядке аккумуляторов в автомобилях.
В источнике тока применены радиокомпоненты устаревших блоков питания компьютеров и мониторов.

Основные функциональные части схемы зарядного устройства:
1. Входные цепи защиты от перегрузок и замыканий.
2. Сетевой помехоподавляющий двухзвенный фильтр.
3. Сетевой выпрямитель.
3. Сглаживающий фильтр высокого напряжения.
4. Силовой инвертор на базе эмиттерного повторителя на биполярных транзисторах.
5. Цепи передачи и формирования сигнала обратной связи стабилизации по напряжению.
6. Генератор импульсов прямоугольной формы.
7. Регулятор выходного тока.
8. Выпрямитель вторичного напряжения.
9. Цепи защиты и индикации нагрузки.

В схеме двухтактного инвертора происходит тройное преобразование напряжения: переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается до постоянного тока, далее преобразуется в импульсное, с частотой до нескольких десятков килогерц, трансформируется в низковольтную цепь и выпрямляется. Напряжение вторичной цепи используется для зарядки аккумуляторов.
Цепь отрицательной обратной связи позволяет заряжать аккумуляторы или питать нагрузку стабилизированным напряжением.
Двухтактная схема инвертора содержит транзисторы, пониженной по сравнению с обратноходовой схемой, мощностью и напряжением.
Цепи обратной связи на оптопаре и импульсный трансформатор гальванически разделяют высокое сетевое напряжение инвертора от низковольтных цепей.
Низковольтный узел оснащен мощными лавинными диодами в сборке, индикацией низкого напряжения и тока нагрузки.
Стабилизация выходного напряжения выполнена введением в схему цепи отрицательной обратной связи по напряжению, а повышение температуры транзисторов от перегрева контролируется терморезистором.

Основные технические характеристики:

Напряжение питания. В - 165...240
Выходное напряжение. В - 12...16
Выходной ток нагрузки. А - 10
Частота преобразования, кГц - 22...47

Схема

Входной помехоподавляющий фильтр состоит из двухобмоточного дросселя Т2 (рис. 1) и конденсаторов С13, С14, которые позволяют снизить помехи преобразователя в сеть и устранить возможность проникновения импульсных помех из сети питания.

Сетевое напряжение с фильтра поступает на выпрямитель VD7 через предохранитель FU1 и выключатель сети SA1.

Сетевой выпрямитель дополнен сглаживающим фильтром из конденсаторов большой емкости С8, С9, шунтированных резисторами R12, R13 для выравнивания напряжений. Терморезистор RK2 ограничивает ток заряда конденсаторов при подаче сетевого напряжения.
Высокочастотный трансформаторЛ инвертора одним выводом подключен к средней точке соединения конденсаторов С8, С9, а вторым - к точке соединения транзисторов двухтактного преобразователя, через разделительный конденсатор С7.

Параллельно первичной обмотке трансформатора Т1 подключена демпфирирующая RC-цепь, предназначенная для гашения паразитных высокочастотных колебаний, возникающих в момент переключения транзисторов в контуре, образованных межвитковой емкостью первичной обмотки трансформатора Т1 и ее индуктивности рассеивания.

Конденсаторы С11, С12 дополняют общую паразитную емкость первичной обмотки трансформатора, что приведет к снижению частоты паразитных колебаний и уменьшению их амплитуды.

Ввод резистора R15 в колебательный контур снижает добротность обмотки трансформатора и ускоряет затухание колебательного процесса.
Транзисторы VT2, VT3 зашунтированы быстродействующими диодами VD4, VD5 от пробоя обратными токами.

Разделительный конденсатор С7 устраняет подмаг-ничивание магнитопровода трансформатора Т1 инвертора, при разбросе параметров конденсаторов С7, С8 и неверной установке половины питающего напряжения в средней точке соединения транзисторов VT2, VT3.
Ввиду низкого коэффициента передачи мощных транзисторов инвертора в схему добавлен биполярный транзистор VT1.

Установка половины напряжения источника питания в точке соединения транзисторов VT2, VT3 выполняется подбором номинала сопротивления резистора R8.

Диод VD3 ускоряет переключение эмиттерного повторителя на транзисторах VT1, VT2.
Нагрузкой эмиттерного повторителя является транзистор VT3, работающий в статическом режиме с заземленной, по переменному току, базой. По постоянному току на базу транзистора VT3, через резистор R8, подано небольшое смещение для создания напряжения на коллекторе, близкого к половине питающего напряжения.

Задающий генератор выполнен на аналоговом таймере DA1.
Микросхема содержит: два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов; RC-триггер; выходной усилитель и ключевой транзистор для разряда внешнего время-зарядного конденсатора С1.

С вывода 3 генератора микросхемы DA1 снимаются импульсы прямоугольной формы. При высоком уровне на выходе 3 DA1 импульс через интегральную RC-цепь R5, С4 поступает на базу транзистора VT1 составного эмиттерного повторителя, транзистор открывается и открывает мощный биполярный транзистор VT2. Конденсатор С7 заряжается от положительной шины источника питания. В первичной цепи трансформатора Т1 возникнет импульс тока. По окончанию положительного импульса с вывода 3 микросхемы DA1 внутренним триггером вывод 7 DA1 переключается в проводящее состояние относительно минуса питания микросхемы DA1, база транзистора VT1 замыкается на минус питания микросхемы, конденсатор С4 также ускоренно разряжается. Транзисторы эмиттерного повторителя закрываются и конденсатор С7 разряжается через открытый транзистор VT3.

Для правильного согласования импульсов генератора на переход база-эмиттер повторителя VT1, VT2 инвертора, питание генератора выполнено от положительной шины высоковольтного источника питания через ограничивающий напряжение резистор R10, со стабилизацией стабилитроном VD2. Минус питания микросхемы взят со средней точки соединения транзисторов VT2, VT3. С приходом последующего импульса с генератора на вход эмиттерного повторителя, транзисторы VT1, VT2 открываются и процесс повторяется.

Непрерывная последовательность импульсов в первичной обмотке высокочастотного трансформатора Т1 активирует появление высокочастотного напряжения во вторичной обмотке трансформатора и тока на нагрузке ХТЗ, ХТ4.
Выводы 2 и 6 входа компараторов микросхемы DA1 переключают внутренний триггер в зависимости от уровня напряжения на конденсаторе С1, время заряда которого зависит от номиналов RC-цепи R1, R2, С1.

Вывод 5 DA1 позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы.
Конструктивное использование данного вывода в цепи отрицательной обратной связи позволяет реализовать стабилизацию выходного напряжения.

Напряжение с нагрузки через терморезистор RK1 поступает на установочный переменный резистор R14, которым регулируется напряжение на нагрузке. При повышении напряжения на зажимах ХТЗ, ХТ4 усилитель на параллельном стабилизаторе DA2 увеличивает яркость светодиода оптопары U1, транзистор оптопары открывается и снижает напряжение на выводе 5 DA1. Частота генератора возрастает. Длительность выходных импульсов сокращается, что приводит к снижению напряжения на нагрузке.

Параллельный стабилизатор DA2 служит в качестве усилителя сигнала рассогласования уровня напряжения на нагрузке и работает в линейном режиме. Установка в этой цепи транзисторного усилителя нежелательна из-за разброса параметров и существенного воздействия внешней температуры.

Повышение температуры ключевых транзисторов VT2, VT3 инвертора приведет к понижению сопротивления терморезистора RK1 и к снижению скважности импульсов и мощности в нагрузке.
Питание микросхемы DA1 выполнено от высокого напряжения инвертора через ограничитель напряжения на резисторе R10 и стабилизировано диодом VD2.

Выпрямитель вторичной цепи выполнен на мощной паре лавинных диодов VD6, собранных в сборку, индикация полярности наличия вторичного напряжения индицируется светодиодом HL1. Конденсатор СЮ сглаживает пульсации напряжения в низковольтных цепях.

Печатная плата, детали
Печатная плата электронной схемы состоит из двух частей (рис. 2 и рис. 3), соединенных проводниками.
Таймер DA1 с пониженным энергопотреблением серии 7555 заменим на серию 555 с микромощным энергопотреблением.
Сетевой диодный мост VD7 на напряжение не ниже 400 В и ток более 3 А, низковольтный выпрямитель
VD6 на напряжение не ниже 50 В и ток не менее 20 А заменим на сборку S40D45C от компьютерных блоков питания.
Транзисторы VT2.VT3 подойдут на напряжение не ниже 300 В и ток более 3 А - типа 2SC2555, 2625, 3036, 3306, 13009 с установкой на радиатор с изолирующими прокладками.

Алюминиевые оксидные конденсаторы фирм “Nicon” или REC.
Оптроны - из серии LTV817, РС816.
Трансформатор Т1 применен без перемотки от блока АТ/ТХ питания компьютера. Обмотка 1Т1 составляет 38 витков провода диаметром 0,8 мм, вторичная -имеет две обмотки по 7,5 витков каждая, сечением 4*0,31 мм в жгуте.
Трансформатор Т2 - двухобмоточный сетевой дроссель фильтра.
Катушка L1 - дроссель фильтра, 10 витков провода диаметром 1 мм на ферритовом кольце 20 мм.

Наладка

Регулировка схемы заключается в проверке режимов питания. Резистором R8 установить на эмиттере VT3 напряжение равное половине напряжения источника питания - около 150 В.

Питать схему инвертора во время испытаний необходимо через переходной трансформатор 220/220 В * 100 Вт, для устранения возможных электротравм.
Перед запуском в цепь сетевого питания вместо предохранителя FU1 подключается лампочка 220 В * 100 Вт, вместо нагрузки подключить автомобильную лампочку на 12-24 В * 50 свечей.

Повышенная яркость сетевой лампочки и отсутствие свечения лампочки в нагрузке указывают на неисправности в схеме.
При слабом свечении сетевой лампочки и ярком свечении лампочки нагрузки, с наличием регулировки яркости, подтверждается рабочее состояние схемы.

После непродолжительной работы схему отключить от сети и проверить радиокомпоненты на нагрев.
При наладке и испытании устройства следует соблюдать Правила техники безопасности.

Рисунки печатной платы в формате lay6 (файл The-push-pull-inverter.zip) вы можете загрузить с нашего сайта : У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера

Владимир Коновалов, Александр Вантеев
г. Иркутск-43, а/я 380

Литература
1. Илья Липавский. Гибридный усилитель мощности на базе повторителя Andrea Ciuffoli. - РадиоХобби, №2, 2009, с. 49.
2. Шелестов И.П. Радиолюбителям: полезные схемы. - Солон-Пресс, г. Москва, 2003, с. 108-142.
3. В. Коновалов. Методические разработки и статьи. - Иркутск, 2009.