Преобразователь напряжения для бытовой аппаратуры

Предлагаемое устройство автоматически переходит в режим пониженного собственного потребления энергии от питающей аккумуляторной батареи при снижении тока нагрузки.

Жизнь современного человека тесно связана с электрической сетью переменного тока. Многие люди не могут обходиться без телевизоров, телефонов, компьютеров и различных бытовых электроприборов. Поэтому полезно иметь в хозяйстве, особенно в сельской местности, резервный источник электроэнергии, например, двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором — бензоэлектрический агрегат. Но для постоянного электроснабжения требуется его непрерывная работа, что приведёт к большому расходу бензина. В то же время многие современные электроприборы (энергосберегающие лампы, телевизоры, компьютеры) потребляют небольшую мощность (не больше 100 Вт), поэтому электроснабжение дома или квартиры от постоянно работающего электрогенератора слишком дорого. Для питания бытовых электроприборов целесообразнее использовать преобразователь постоянного напряжения в переменное 220 В, работающий от батареи аккумуляторов большой ёмкости.
Такие устройства, как правило, дороги и, наряду с достоинствами, имеют определённые недостатки. Наиболее широко распространены преобразователи, работающие по принципу высокочастотного преобразования с частотой коммутации несколько десятков килогерц. Их недостаток — сильные помехи радио и телевизионному приёму, они чувствительны к кратковременным перегрузкам, возникающим, например, при включении холодильника или мощной лампы накаливания.

Кроме того, промышленность выпускает низкочастотные преобразователи напряжения, работающие на частоте 50 Гц. Но такие преобразователи мало распространены, дороги и насыщены автоматикой, что затрудняет их ремонт. Поэтому радиолюбители самостоятельно конструируют низкочастотные преобразователи по описаниям, опубликованным, например, в [1—3]. Но в них не предусмотрено автоматическое выключение при сильной разрядке аккумуляторной батареи. Кроме того, они имеют низкий КПД при малой нагрузке. По этой причине большинство опубликованных преобразователей рассчитаны на небольшую мощность (до 150 Вт). Если применить более мощный трансформатор, то даже без нагрузки преобразователь будет быстро разряжать аккумуляторную батарею.



Для увеличения КПД предлагаемый преобразователь содержит два повышающих трансформатора разной мощности. Когда потребляемая нагрузкой мощность ниже некоторого предела, используется трансформатор меньшей мощности, в противном случае — более мощный.
Схема предлагаемого преобразователя показана на рисунке. Устройство содержит два узла контроля напряжения питания на транзисторах VT7 и VT8, стабилизатор напряжения на микросхеме DA1, генератор двух последовательностей импульсов с паузами между ними на микросхеме DA2, двухтактную выходную ступень на транзисторах VT1—VT4 с мощным трансформатором Т2, двухтактную выходную ступень.
Узел контроля напряжения питания собран на транзисторе VT8 по аналогичной схеме, но его порог срабатывания 13 В. Он обеспечивает двухстепенную стабилизацию выходного напряжения. Если напряжение питания меньше 13 В, транзистор VT8 закрыт, обмотка реле К2 обесточена, на нагрузку поступает напряжение с полной вторичной обмотки одного из выходных трансформаторов Т1 или Т2 через контакты реле К2.1 или К2.2. В противном случае транзистор VT8 открывается, срабатывает реле К2 и нагрузка подключается к отводу вторичной обмотки трансформатора Т1 или Т2. Выходное напряжение преобразователя изменяется не больше чем на 7,7 % при изменении напряжения питания в пределах 11... 15 В. Это позволяет ему работать от одного из двух источников питания: аккумуляторной батареи 10,5... 12 В или бортовой сети автомобиля 14 В.

Для автоматического выключения преобразователя при полной разрядке питающей аккумуляторной батареи использован узел на транзисторе VT7. ЛР Если её напряжение больше 10,5 В, ,У/ транзистор VT7 открыт, реле К1 сработало и через его контакты К1.1 напряжение питания подаётся на стабилизатор напряжения на микросхеме DA1 и далее на генератор импульсов на микросхеме DA2. При уменьшении напряжения аккумуляторной батареи ниже © 10,5 В транзистор VT7 закрывается, контакты К1.1 размыкаются и отключают питание генератора импульсов, в результате чего все коммутирующие транзисторы VT1—VT6 оказываются закрытыми, а преобразователь выключенным. Напряжение выключения регулируется построечным резистором Н R8. Характеристика узла на транзисторе VT7 имеет небольшой гистерезис.

В устройстве не использована безынерционная защита от превышения тока нагрузки по входу FC микросхемы DA2. Применена обычная плавкая вставка FU1, а коммутирующие транзисторы VT1—VT6 выбраны с запасом по максимально допустимому току.
В режиме холостого хода или при малом токе, потребляемом нагрузкой, напряжения на движке резистора R10 недостаточно для открывания транзистора VT9, обмотка реле КЗ обесточена. Через контакты реле К3.1 и КЗ.2 импульсы с выходов микросхемы DA2 поступают на затворы транзисторов VT5 и VT6. Нагрузка подключена через контакты реле КЗ.З к вторичной обмотке трансформатора Т1. При этом потребляемый преобразователем без нагрузки ток на порядок меньше, чем при работе трансформатора Т2.

Если ток нагрузки превышает некоторый предел, регулируемый построечным резистором R10, транзистор VT9 открывается и подаёт напряжение на обмотку реле КЗ. Через контакты реле К3.1 и КЗ.2 импульсы с выходов микросхемы DA2 подаются на затворы транзисторов VT1—VT4. Контакты реле КЗ.З подключают нагрузку к вторичной обмотке мощного трансформатора Т2.

Выходное напряжение преобразователя имеет форму разделённых паузами разнополярных импульсов с амплитудой примерно 250 В. Его действующее значение — около 190 В. Эти параметры попадают в допустимые пределы питающего напряжения не только для устройств с импульсными блоками питания, но и для бытовых холодильников.
Все детали преобразователя размещены в корпусе из листового алюминия. Транзисторы VT1—VT6 закреплены на корпусе с применением изолирующих прокладок и использованием теплопро- водящей пасты. Через корпус для охлаждения деталей постоянно продувается воздушный поток вентилятора с электродвигателем М1 мощностью 3 Вт.

Трансформаторы Т1 и Т2 должны иметь коэффициент трансформации 20, а трансформатор тока ТЗ — 100, при этом его первичная обмотка при максимальной мощности преобразователя 1 кВт должна быть рассчитана на ток 5 А.
Трансформатор Т1 изготовлен из трансформатора ТС-180 от блока питания лампового телевизора. Все его вторичные обмотки удалены. Первичная обмотка оставлена и использована как основная секция вторичной обмотки (на схеме от конца до отвода). К ней добавлена дополнительная секция из 90 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм (от начала до отвода). Новая первичная обмотка содержит две секции по 40 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм, намотанных в два провода.

Трансформатор Т2 намотан на статоре асинхронного трёхфазного электродвигателя мощностью 7,5 кВт. Первичная обмотка (I) содержит две секции по 15 витков и намотана алюминиевым проводом АПВ-10 в два провода для обеспечения симметрии. Вторичная обмотка (II) намотана монтажным алюминиевым проводом сечением 2,5 мм2. Она содержит 345 витков с отводом от 45-го витка.
Трансформатор ТЗ изготовлен из выходного трансформатора УЗЧ лампового телевизора. Его анодная обмотка оставлена и использована как вторичная, а другая — удалена. Взамен неё намотана первичная обмотка — 24 витка провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм. При налаживании преобразователя может потребоваться в небольших пределах изменить коэффициент трансформации трансформаторов Т1 и Т2. Для этого следует намотать дополнительную обмотку из нескольких витков и с учётом фазы последовательно соединить её с вторичной обмоткой трансформатора. Если включить обмотки синфазно, коэффициент трансформации увеличится, в противном случае — уменьшится.

Все реле должны иметь напряжение срабатывания не более 10 В. Реле К1 — слаботочное, может быть даже герконовым — коммутируемый контактами ток не превышает 0,1 А при напряжении не более 15 В. Контакты реле К2 и КЗ должны быть рассчитаны на коммутацию переменного напряжения 220 В и тока 5 А. В экземпляре автора применены реле К1 — РЭС-59 (исполнение ХП4.500.020), К2 — V23079-D1003-В301, КЗ — HJQ-18F 12VDC-3Z.
Все построечные резисторы СПЗ-1 б. Перед их установкой необходимо проверить исправность подвижной контактной системы.
Перед первым включением питания движок подстроечного резистора R1 устанавливают в любое крайнее положение, движок R8 — в верхнее по схеме положение, движки других подстроечных резисторов — в нижнее.

Вместо аккумуляторной батареи подключают лабораторный источник питания с регулируемым выходным напряжением 10... 13 В и выходным током не менее 10 А. Движком подстроечного резистора R1 устанавливают на выходе микросхемы DA1 напряжение 8...9 В. Показанное на схеме включение этого резистора, по мнению автора, снижает риск появления завышенного напряжения питания микросхемы DA2 при обрывах выводов неподвижных контактов резистора R1. Далее подборкой резистора R2 устанавливают частоту переменного напряжения на выходе преобразователя 50 Гц. После этого сни-жают напряжение питания до 10,5 В и перемещают движок подстроечного резистора R8 сверху вниз по схеме до отключения реле К1. Затем повышают напряжение питания до 13 В и перемещают движок переменного резистора R9 снизу вверх по схеме до срабатывания реле К2. Наконец, подключают первичную обмотку трансформатора тока ТЗ к источнику переменного тока 0,5...0,6 А и перемещают движок переменного резистора R10 до срабатывания реле КЗ.

ЛИТЕРАТУРА
1 Гореславец А. Преобразователи напряжения на микросхеме КР1211ЕУ1. — Радио, 2001, № 5, с. 42, 43
2. Нечаев И. Преобразователь напряжения 12/220 В 50 Гц. - Радио, 2004, № 9, с. 30, 31.
3 Озолин М. Стабилизированный преобразователь 12/220 В. — Радио, 2006, № 12, с. 30, 31.