Мощный преобразователь напряжения 24 В - 12 В с высоким КПД

Мощный преобразователь напряжения 24 В - 12 В с высоким КПД

-

Почти вся автомобильная техника (магнитолы, телевизоры, холодильники, даже лампы подсветки!) рассчитана на 12 В ±2...3 В и при прямом включении в сеть 24 В мгновенно выходит из строя.

Самый простой выход - более-менее симметрично запитать устройства от «половинок» штатного аккумулятора (например, магнитолу - от одного 12-вольтового аккумулятора, л телевизор - от того), но полной симметричности при этом добиться невозможно в итоге один из аккумуляторов будет постоянно перезаряжаться а другой - недозаряжаться. и в итоге срок службы обоих аккумуляторов резко уменьшится. Поэтому единственный выход - понижать преобразователь напряжения до необходимых для такой аппарату ры 12 В. Для современной автомагнитолы на максимальной громкости необходим ток 2...4 А. Ж КИ-телевизору - около 1 Л. поэтому с учетом запаса выходной ток преобразователя должен быть в районе 5,..10 А. При этом нагрев силовых элементов схемы должен быть минимален (то есть КПД - максимально возможный), так как автомобильная техника часто эксплуатируется в жарком климате да и сама по себе сильно нагревается.

Схема такого преобразователя показана на рис. 1.1.1.

На таймере DD1.1 собран тактовый генератор, его короткие импульсы с вывода 5 запускают ШИМ -модулятор на таймере DD1.2. Из-за внутренних особенностей микросхемы 555 длительность

запускающих импульсов по входу S должна быть минимально возможной, поэтому генератор на DD1.1 несимметричный - сопротивление резистора R1 (через который конденсатор О разряжается) в сотни раз меньше сопротивления R2. В большинстве случаев выводы R1 вообще можно закоротить, но лучше не рисковать и впаять резистор небольшого сопротивления (100...330 Ом).

Модулятор собран на таймере DD1.2 по обычной схеме  при уменьшении напряжения на входе REF уменьшается длительность единичных импульсов (при неизменном периоде) на выходе, то есть уменьшается выходное напряжение. Терморезистор R4 обеспечивает защиту от перегрева  при нагреве радиатора ключевых транзисторов выше 80...100 "С его сопротивление уменьшается ниже порога переключения микросхемы по входу RES (1.0B), и на выходе микросхемы принудительно устанавливается логический нуль до тех пор, пока транзисторы не остынут. При этом оба ключевых транзистора закрыты, напряжение на выходе пропадает.

Микросхема имеет небольшой гистерезис переключения (около 40 мВ) по входу RES, поэтому при надежном тепловом контакте терморезистора с радиатором никакого дребезга переключения нет; для дополнительной защиты от наводок в схему добавлен конденсатор СЗ, его емкость желательно увеличить до сотни микрофарад.

В качестве драйвера силовых транзисторов выбрана микросхема IR2103 (DD2). Для данного устройства эта микросхема идеально подходит по всем параметрам и при этом имеет не слишком высокую стоимость. Один из ее входов  прямой, второй  инверсный; это позволило сэкономить на внешнем инверторе.

В микросхему встроены логика, препятствующая одновременному отпиранию обоих транзисторов (сквозные токи), и генератор пауз («мертвое время», dead time) между импульсами на выходах  это позволило до минимума сократить количество внешних элементов и не заниматься построением защиты на дополнительных логических элементах. Также у микросхемы достаточно мощные для непосредственного управления выходными полевыми транзисторами выходы  благодаря чему сэкономлены 4 внешних транзистора в эмиттерных повторителях.

И «изюминка» микросхемы  «плавающее» напряжение верхнего уровня (разность напряжений может достигать 600 В!) с полной электрической развязкой внутри самой микросхемы.

Без этой «фишки» схему пришлось бы сильно усложнять, вводя быстродействующий (и дорогой) оптрон и еще десяток элементов.

Микросхема включена по типовой схеме, выводы 2 и 3 можно соединить друг с другом, но лучше оставить цепочку R6. С4  для корректной работы преобразователя при срабатывании термозащиты. Иначе в этой ситуации транзистор нижнего уровня будет постоянно открыт и закоротит выход. Вывод Vs - общий провод высоковольтной (изолированной) части, вывод V„  ее вывод питания (+10...+20 В). В данной схеме пока открыт нижний по схеме транзистор (VT2), Vs соединен с общим проводом, и конденсатор С5 заряжается через диод VD1 почти до напряжения питания. Через некоторое время VT2 закроется, но заряд на конденсаторе С5 останется, так как ток утечки крайне мал. Когда на вход HIN поступит логическая единица, выход НО соединится внутренним транзистором с выводом V„  то есть конденсатор зарядит затвор транзистора VT1, и он откроется. Ток утечки затвора транзистора крайне мал, а его емкость в сотни раз меньше емкости С5, поэтому транзистор отпирается до насыщения, и КПД схемы получается максимально возможным. В следующем такте С5 снова подзаряжается.

Регулятор напряжения собран на транзисторе VT3. Как только выходное напряжение превысит 12 В, через стабилитрон VD2 потечет ток, транзистор приоткроется и понизит напряжение на входе REF модулятора. Длительность единичных импульсов станет чуть меньше, и наступит динамический баланс. Конденсаторы С7 или С8 нужны для подавления шумов стабилитрона и транзистора, впаивать нужно только один из этих конденсаторов! Какой именно подбирается при настройке, так как это зависит от монтажа и используемых элементов. Без конденсаторов на выходе постоянного напряжения будет присутствовать шум (и будет слышно, как шумит катушка), а КПД чуть снизится за счет разогрева транзисторов, если же впаять оба конденсатора  схема будет возбуждаться. Сопротивление резистора R12 ограничивает коэффициент усиления цепи обратной связи  чем он больше, тем неустойчивее работает преобразователь. При указанном номинале резистора выходное напряжение, в зависимости от тока нагрузки, изменяется не более чем на 0.3...0,5 В, чего для такого преобразователя вполне достаточно. При использовании транзисторов с меньшим коэффициентом h„, сопротивление резистора R12 можно уменьшить до 2...10 кОм.

Провода питания преобразователя нужно подключить напрямую к аккумулятору. Иначе (если подключить после замка зажигания) система зажигания и прочее электрооборудование автомобиля будут создавать помехи преобразователю; кроме того, он сам будет

влиять на электронику машины  а это в некоторых случаях может быть опасным. Так как преобразователь даже при отключенной нагрузке потребляет некоторый холостой ток покоя (эта схема примерно 30.50 мА), в схему был добавлен выключатель на транзисторах VT4, VT5. Он коммутирует питание только маломощной управляющей схемы, выходные транзисторы соединены с аккумулятором напрямую, поэтому нет потерь мощности в силовой части. При подаче на «вход управления» напряжения выше 5 В (этот вход можно подключить к замку зажигания или любым маломощным переключателем соединить с +24 В) транзистор VT4 открывается, отпирает транзистор VT5 и подает напряжение на микросхему стабилизатора DA1.

Два транзистора используются для того, чтобы схемой можно было управлять положительным напряжением; конденсатор СЮ сглаживает дребезг контактов. Здесь нет положительной обратной связи для обеспечения ключевого режима работы выключателя, но она и не нужна  коэффициент усиления двух транзисторов настолько огромен (десятки тысяч), что схема всегда работает в ключевом режиме.

Резистор R13 защищает схему преобразователя от выхода из строя при случайных коротких замыканиях на корпус, а также понижает входное напряжение, уменьшая нагрев стабилизатора DA1.

При отсутствии напряжения на «входе управления» все микросхемы обесточены, в микросхеме DD2 выводы 4 и 5, 6 и 7 соединены внутренними резисторами небольшого сопротивления, и оба ключевых транзистора закрыты. Потребляемый ток в этом режиме определяется в основном только током утечки фильтрующих конденсаторов С9 и не превышает сотен микроампер.

Для упрощения графики разводка цепей питания на рисунке не показана  к ней данная схема так же чувствительна, как и рассмотренные ранее. Общин вывод резистора R11 подключается к конденсатору Сб. элементы обратной связи левее (по схеме) резистора RI2 к выводу 14 DD1.

Фильтрующие конденсаторы С6 и С9 желательно набрать из двух-трех параллельно соединенных конденсаторов меньшей емкости. При работе на номинальном токе эти конденсаторы должны оставаться холодными  через полчаса после включения преобразователя они должны нагреться не более чем на 5... 10 "С. Имеет смысл попробовать использовать конденсаторы разных производителей; в любом случае, чем больше размер корпуса конденсатора при тех же емкости и напряжении, тем лучше он будет работать.

В правильно собранном преобразователе, при токе нагрузки 3...4 А, нагрев корпусов транзисторов VT1 и V'1'2 не превышает 50...70 °С даже без радиаторов. Поэтому при работе на таком токе будет достаточно небольших пластинок-теплоотводов размером 30x50 мм на каждый транзистор, они не должны соприкасаться! При работе с током нагрузки до 10 А нужны радиаторы посерьезнее как минимум игольчатый радиатор размерами 50x100 мм (на оба транзистора  при этом транзисторы нужно изолировать от нее, для этого удобно использовать комплект крепления от старых компьютерных блоков питания), или можно прикрепить в основание корпуса преобразователя металлическую пластину, поставить на нее транзисторы и прижать основание корпуса к любой не нагревающейся в процессе работы «железяке» на корпусе машины, поближе к аккумуляторам. При этом нужно обеспечить хороший тепловой контакт  зачистить обе поверхности, и желательно использовать теплопроводящую пасту.

1.4.1. О деталях

Катушка L1 в авторском варианте изготовлена в броневом сердечнике (чашках) диаметром 48 и высотой 30 мм, между половинками сердечника проложены два слоя газетной бумаги.

Обмотка намотана в два параллельно соединенных трансформаторных провода диаметром 1,5 мм, количество витков  до заполнения каркаса (примерно 24...30). Такая катушка оставалась холодной при постоянном токе нагрузки 7 А. При токе нагрузки до 3...5 А можно взять 2...3 кольца К50х40х10 и намотать 40...50 витков проводом диаметром около 1 мм в 2.4 провода.

Или можно взять любой другой ферритовый сердечник для импульсных преобразователей, примерно таких же размеров, и желательно разрезной.

Вместо микросхемы NE556 можно использовать две микросхемы 555 или ее отечественную копию КРЮОбВШ. вместо транзисторов ВС817 поставить КТ3102Б, а вместо ВС807 - КТ3107Б. Конденсатор С5 должен быть с низким ESR, то есть пленочным или керамическим, а диод VD1 - быстродействующим, с малыми емкостью и временем обратного восстановления.

В крайнем случае можно параллельно включить электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ и керамический многослойный (но не дисковый!) емкостью 0.1 мкФ, а диод заменить на КД521 или аналогичный. Иначе транзистор VT1 будет сильно греться. Полевые транзисторы VT1 и VT2

желательно взять с сопротивлением канала в открытом состоянии не более 0,03 Ом, в авторском варианте использовался КП723А -аналоги IRFZ46N.

При токе нагрузки до 5 А лучше всего использовать сдвоенные и более высокочастотные транзисторы IRFI4024H -они изготовлены в изолированном корпусе ТО220-5 (то есть не нужно изолировать его корпус от теплоотвода) и способны работать совместно с драйвером IR2103 на частотах до 200...500 кГц (против 30..70 кГц для IRFZ46 и аналогичных).

Терморезистор R4 может быть любым малогабаритным (чтобы быстрее нагревался в случае аварии), с сопротивлением при комнатной температуре выше 5... 10 кОм.

Перед использованием термозащиту нужно откалибровать. Это делаем так: припаиваем к выводам терморезистора провода, кладем его в несколько вложенных друг в друга прочных пакетиков и опускаем в кипящую воду. Через минуту измеряем сопротивление терморезистора (нужно убедиться, что вода или пар не попали внутрь пакетиков), умножаем это число на 12...15 - таким должно быть сопротивление резистора R3. чтобы термозашита срабатывала при температуре 80... 100 *С.

Терморезистор нужно закрепить на радиаторе как можно ближе к транзисторам, тщательно смазав место контакта теплопроводящей пастой и позаботившись при необходимости об электрической изоляции.

Также иногда нужно подобрать сопротивление резистора R8 -оно должно быть таким, чтобы при закороченных выводах конденсатора СЗ на выводе 5 DD2 было нулевое напряжение.

1.4.2. Особенности налаживания

Благодаря встроенной логике защиты в микросхему DD2 первое включение преобразователя можно производить с впаянными ключевыми транзисторами VT1 и VT2, но на всякий случай (вдруг дорожки неправильно разведены) «+» от аккумулятора подаем через лампочку на 24 В, 1...2А. Конденсаторы С7 и С8 не припаиваем. В качестве нагрузки подключаем к выходу устройства две последовательно соединенные лампочки от елочной гирлянды (12 В, 0,16 А). При нормальной работе преобразователя эти лампочки должны гореть (напряжение на выходе преобразователя должно быть около 12 В. но больше 6...8 В и меньше 15 В), лампочка по питанию светиться не должна, протекающий через нее ток  не более 200 мА. Заодно проверяем правильность работы выключателя, хотя он при правильном монтаже и исправных деталях никогда не требует настройки, и убеждаемся, что потребляемый ток в режиме «выключено» не превышает 1 мА.

 Если он больше  выпаиваем конденсаторы С9 и повторяем измерение: если он уменьшился  ставим более качественные конденсаторы, если остался неизменным  впаиваем те же конденсаторы и между выводами затвора и истока обоих полевых резисторов припаиваем по резистору сопротивлением 10 кОм.

При работе преобразователь не должен свистеть  если есть звук, нужно увеличить рабочую частоту, уменьшив емкости конденсаторов С1 и С2. Если даже при емкостях в 200 пФ высокочастотный писк не пропадает  скорее всего, схема возбуждается.

После этого отключаем нагрузку и измеряем потребляемый схемой ток  он должен быть в пределах 40...70 мА. Если он гораздо больше  это означает, что индуктивность катушки L1 недостаточна и нужно или увеличить рабочую частоту (если схема и так работает на ультразвуковой (неслышимой) частоте, лучше этого не делать!), или намотать на катушку еще десяток-другой витков.

Далее вместо лампочки в цепи питания включаем амперметр с пределом измерений более 5 А, а к выходу подключаем лампочку С током потребления 2...4 Л (то есть ее мощность 24...48 Вт). Потребляемый схемой от аккумулятора ток должен быть примерно в 2 раза меньше тока через лампочку, оба полевых транзистора без радиаторов греться не должны (при токе нагрузки 2 А) или на максимальном токе должны медленно разогреться примерно до 50.70 "С.

 Причем температура обоих транзисторов должна быть примерно одинаковой.

Если VT2 греется заметно сильнее, чем VT1, нужно убедиться в наличии сигнала на его затворе  с помощью последовательно соединенных светодиода и резистора сопротивлением 1...10кОм, включать их между общим проводом и затвором транзистора. Если светодиод светится гораздо слабее, чем на затворе VT1, или не светится совсем  нужно увеличить емкость конденсатора С4.

Так как защита по току (от короткого замыкания) в схеме не предусмотрена, нагрузку нужно подключать через плавкий предохранитель на 5...10 А. Его можно разместить в автомобильном блоке предохранителей или в корпусе (на плюсовом проводе) преобразователя.

При токе нагрузки 5 А провода от аккумулятора должны быть сечением более 1 мм (медь), провода к нагрузке  более 1,5 мм. при больших токах провода должны быть толще.

Используя более мощные транзисторы, с меньшим сопротивлением канала, выходной ток при том же нагреве схемы можно повысить в несколько раз.

Но тогда нужно будет заменить микросхему

драйвера  IR2103 «еле справляется» с транзисторами IRFZ46, и более мощные транзисторы она может просто не раскачать. Идеальная замена  микросхема IR2183 - полный аналог по характеристикам, цоколевке выводов и типу корпуса, но с выходным током до 1,7 Л. Ее следует просто впаять на место IR2103, без каких-либо изменений на плате. Емкость конденсатора С5 в таком случае желательно увеличить в несколько раз (минимум 1 мкФ), он должен быть пленочным.

Источник: Оригинальные конструкции источников питания

Мощный преобразователь напряжения 24 В - 12 В с высоким КПД

Написанное простым и доступным языком о сложном мире импульсных источников питания, это издание позволит радиолюбителям легко разобраться в схемотехнике и самим стать конструкторами источников питания для собственных задач.

Оригинальные конструкции источников питания.Год-2010

Мощный преобразователь напряжения 24 В - 12 В с высоким КПД

Мощный преобразователь напряжения 24 В - 12 В с высоким КПД

рис. 1.1.1 Мощный преобразователь напряжения 24 В - 12 В с высоким КПД

Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика