Схема. Инвертор на гибридном тиристоре.
Инверторы на основе тиристорных преобразователей ранее разрабатывались для формирования высокого напряжения на кинескопе в телевизорах отечественной промышленности. Небольшая частота преобразования, простота схемы, отсутствие высоковольтных оксидных конденсаторов большой емкости и т.п. позволяют использовать такие схемы с небольшими изменениями в источниках питания.
Наличие в продаже мощных высоковольтных тиристоров дает возможность разработать компактный источник питания с низкими потерями энергии. Такой источник подойдет для питания радиоаппаратуры, энергосберегающих ламп, зарядки аккумуляторов автомобилей и питания электродвигателей постоянного тока. Недостатком подобных устройств является повышенный по сравнению с транзисторными инверторами уровень импульсных помех. Но они, в принципе, устраняются несложными сетевыми и выходными фильтрами.
Основными функциональными частями схемы инвертора (рис.1) являются:
— помехоподавляющие входные фильтры;
— сетевой выпрямитель;
— тактовый генератор;
— предварительный усилитель тактового сигнала;
— выпрямитель выходного напряжения;
— цепи стабилизации выходного напряжения;
— фильтр выходных помех;
— индикаторы работы инвертора.
В схеме происходит тройное преобразование напряжения: переменное напряжение электросети после выпрямления преобразуется инвертором в импульсное напряжение прямоугольной формы с частотой, определяемой частотой генератора. Пониженное высокочастотным трансформатором импульсное выходное напряжение выпрямляется и поступает на нагрузку.
Сетевой фильтр коммутационных помех C12-L2, C13-L3 препятствует проникновению помех преобразования в электросеть. Коммутационные помехи в импульсных источниках питания возникают вследствие переключающего режима работы мощных регулирующих элементов [1].
Обмотки дросселей сетевого фильтра обычно размещаются на общем ферритовом сердечнике для взаимной компенсации помех. Снижение импульсных помех преобразования в низковольтных цепях нагрузки обеспечивает выходной фильтр C8-L1-C11 [2].
С входного фильтра напряжение сети подается на выпрямитель на диодной сборке VD8. Выпрямленное напряжение сети фильтруется конденсатором С10 и поступает через резистор R17 на трансформатор Т1 импульсного инвертора, а также используется для питания гибридного тиристора DA3. Напряжение питания (примерно 100 В) подается на DA3 с параметрического стабилизатора R10-VD2.
Питание на тактовый генератор на однопереходном транзисторе, входящем в состав DA3, и цепи регулирования скважности импульсов поступает со стабилизатора R9-VD1. Стабилизация питания гибридного тиристора позволяет защитить микросхему от повышенного напряжения и обеспечить устойчивую работу инвертора. Однопереходной транзистор в DA3 имеет максимальное напряжение питания 30 В и максимальный импульсный ток 200 мА. Время включения гибридного тиристора — 3 мкс, выключения — 25 мкс. Минимальное время включения силового тиристора VS1, которым управляет DA3,—0,5 мкс. Отпирающее импульсное напряжение на управляющем электроде — 5 В.
В начале положительного полупериода сетевого напряжения гибридный и силовой тиристоры закрыты. По мере роста напряжения конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2. Заряд конденсатора С1 продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет порога открывания од непереходного транзистора в DA3. После его открывания на резисторе R5 появляется напряжение, достаточное для срабатывания гибридного тиристора в DA3. Открывающийся гибридный тиристор включает силовой VS1. Тиристор VS1 остается открытым до конца полупериода. Стабилитрон VD3 в цепи управления VS1 защищает его управляющий электрод от импульсных помех и повышенного напряжения включения.
Протекание тока через VS1 и обмотку I трансформатора Т1 сопровождается накоплением энергии в магнитном поле сердечника. После окончания импульса ток в обмотке прекращается, что вызывает появление во вторичной обмотке напряжения самоиндукции. Через диодную сборку VD7 протекают импульсы тока, которые заряжают конденсатор С7. На нем возникает постоянное напряжение, оно фильтруются цепочкой L1-C8-C11 и с конденсатора С11 поступает в нагрузку. Изменяя резистором R1 время заряда конденсатора С1, можно управлять моментом открывания гибридного тиристора и регулировать напряжение и ток нагрузки.
При больших скоростях нарастания прямого напряжения тиристор может самопроизвольно открыться при отсутствии управляющего сигнала. Для снижения чрезмерной скорости нарастания анодного напряжения используется демпферная RC-цепочка R17-C9. Тиристор VS1 защищен от выбросов напряжения обратного тока трансформатора параллельными цепочками VD4-VD5 и R15-C5, а также VD6-R14-C6.
Стабилизация выходного напряжения выполнена с помощью оптронной развязки с выхода источника на генератор импульсов. При повышении выходного напряжения, например, из-за увеличения сопротивления нагрузки, увеличивается напряжение на управляющем электроде микросхемы DA2. Ее напряжение стабилизации снижается, что приводит к повышению тока через светодиод оптопары DA1. Фототранзистор оптопары сильнее открывается и шунтирует конденсатор С1, меняя скважность импульсов и, тем самым, снижая выходное напряжение. При уменьшении выходного напряжения процесс регулировки происходит в обратную сторону.
Конденсаторы С2…С4 устраняют влияние помех на цепи регулировки. Терморезистор R12 снижает температурную зависимость выходного напряжения при излишнем нагреве силового тиристора VS1. Индикация сетевого и выходного напряжения реализована на светодиодах HL1 и HL2 (красного и зеленого цвета).
Схема инвертора выполнена на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Размеры платы (рис.2) — 116×68 мм. Элементы R1, SA1, FU1, выходные клеммы и светодиоды индикации HL1, HL2 установлены на корпусе устройства.
Возможные замены элементов инвертора представлены в таблице. Выбор силового трансформатора зависит от рабочей частоты инвертора и мощности нагрузки. Выполнить самодельный трансформатор хорошего качества достаточно трудно, поэтому лучше использовать готовый от компьютерных блоков питания или телевизоров. Его первичная обмотка используется без изменений, а вторичная — частично (в зависимости от требуемого напряжения).
Наладку схемы начинают с проверки монтажа. Затем, включив в разрыв одного из сетевых проводов лампу накаливания мощностью 25… 100 Вт (220 В), а на выход — лампу 20…50 Вт (24 или 36 В), подают сетевое напряжение. Если сетевая лампа горит в полный накал, а нагрузочная не светится — в схеме есть ошибки или некачественные элементы. При слабом накале обеих ламп переменным резистором R1 на выходе источника устанавливают напряжение 12 (24) В, а регулятором R13 добиваются максимальной яркости нагрузочной лампы.
После непродолжительной работы схему отключают и проверяют температуру элементов. При чрезмерном нагреве тиристора VS1 сопротивление R17 следует увеличить или взять для тиристора радиатор большей площади. Тиристор на радиаторе крепят с использованием термопасты.
При отсутствии перегрева элементов можно включать устройство без защитной (сетевой) лампы, но обязательно с установленным предохранителем FU1. Окончательно резистором R13 корректируют режим стабилизирующих цепей так, чтобы выходное напряжение с нагрузкой и без нее изменялось не более чем на 20%.
Основные параметры источника
Напряжение питания, В 180-230
Мощность инвертора, Вт 160
Выходное напряжение, В 12-24
Максимальный ток нагрузки, А 20
Частота генератора, кГц 16
КПД,% 92
Коэффициент стабилизации 18-30
Внимание! Ввиду наличия в схеме сетевого напряжения, при наладке необходимо соблюдать правила техники безопасности, а замену деталей производить только в отключенном состоянии.
Литература
1. М.Дорофеев. Снижение помех от импульсных источников питания. — Радио, 2006, №9, С.38.
2. В.Коновалов. Зарядное устройство на импульсном блоке питания. — Радиолюбитель, 2009, №10, С.36.
3. В.Коновалов, М.Мальков. Зарядное устройство на тиристорном инверторе.— Радиолюбитель, 2009, №12. С.46.
