Проверенные практические схемы конверторов питания 230V/50Hz в 120V/60Hz

Привет всем Датагорцам! Не так давно один из моих знакомых попросил изготовить конвертор для какого-то привезенного из-за океана оборудования, которое должно работать от сети переменного тока ~120В/60Гц. Устройство это напрочь отказывалось работать от нашей сети через понижающий трансформатор и, пожалуй, конвертор был единственным устройством, способным исправить ситуацию.

Мощность конвертора объявлялась небольшой (до 300 Вт) и товарищ не хотел переплачивать за промышленный частотный преобразователь, выбор которых велик, но велика их стоимость. Диапазон мощностей (от 750Вт) продаваемых преобразователей так же избыточен. Кроме того, практически не представлены однофазные частотные преобразователи (конверторы), которые могли бы решить проблему (в основном «частотники» все же ориентированы на работу с трехфазными электродвигателями).

На самом деле эта тема мне давно была интересна. Я собирался сконструировать подобное устройство для собственной лаборатории, но всё не находил свободного времени для решения этой задачи. Так что просьба приятеля стала толчком для активации мыслей в этом направлении.

Для я начала обратил свой взор на восток, где у китайских купцов была замечена весьма полезная штучка под названием «Модуль EGS002 (EG8010 + IR2110)», так хорошо описанная в статье AlexD «Инвертор Pure sine wave на базе контроллера EG8010 (модуль EGS002). Чистый синус 220V из аккумулятора» на страничках Датагории. Я тоже заказал несколько таких модулей (благо, они становятся все дешевле) и уже использовал в своих экспериментах, но это уже другая история.

А пока стояла задача такая: сконструировать 300 Вт конвертор 220В/50Гц — 120В/60Гц из минимального количества общедоступных электронных компонентов (стоит понимать так: из того, что было у меня на момент постановки задачи), с хорошей повторяемостью и достаточной надежностью.
Стабилизация выходного напряжения необязательна, т.к. в устройстве, для которого предназначался конвертор, имеется своя система стабилизации вторичных напряжений.

Сразу оговорюсь, что на выходе заказанного конвертора должна быть чистая синусоида. Но для охвата темы я включил в свои эксперименты и в статью широкий круг схем с разными параметрами.

Для решения нашей задачи, в ряде случаев, достаточно из постоянного напряжения сформировать требуемую последовательность импульсов. И это будет самым простым и самым малозатратным способом. При правильно выбранной схеме и номиналах применяемых компонентов, устройство будет иметь высокий КПД и незначительный нагрев.
Из минусов — с напряжением прямоугольной формы многие устройства не смогут корректно работать. Но и здесь есть выход — установка на выход устройства хорошо рассчитанного LC-фильтра, который поможет получить практически идеальную синусоиду. Но это решение может оказаться дорогим и тяжелым по весу (чем больше мощность, тем больше вес фильтра).

Другое решение так же достаточно простое: постройка мощного высоковольтного усилителя с генератором синусоиды, настроенным на необходимую частоту, (либо мощного генератора синусоиды, что, впрочем, одно и то же). Но и это решение небезупречно: весьма низкий КПД с большим (как следствие) тепловыделением, тяжелый режим работы транзисторов выходных каскадов, масса и габариты за счет одного только алюминия (или из чего там можно еще сделать радиаторы охлаждения получившейся печки).

Как ни крути, самое оптимальное решение — высокочастотный ШИ-преобразователь, импульсная последовательность которого модулируется низкочастотной синусоидой с последующей фильтрацией ВЧ-составляющей на выходе преобразователя с помощью достаточно простого LC-фильтра.

Есть и еще один способ — использование последовательности разношироких импульсов, имитирующих ШИМ, сформированных логической схемой, но схемотехнически это достаточно громоздко для применения обычной логики и оправдано лишь при использовании МК или ПЛИС.

↑ Схема конвертора № 1: простая схема с прямоугольными импульсами требуемой частоты — UC3525 + IR2110

Схема его представлена на рис. 1 и не представляет никаких загадок для искушенных в силовой электронике мужчин. Схема собрана на базе широко распространенного шим-контроллера UC3525 (U3), который через драйверы IR2110 (U1, U2) управляет мостовой схемой на полевых транзисторах (VT2-VT5).

Входное напряжение ~220В, поступающее на разъем Х1, через компоненты фильтра Dr1 и С1 выпрямляется мостом на диодах мостовой сборки gbj2510 (25A/1000V) и питает силовую часть схемы.

Для предотвращения большого стартового тока в разрыв цепи питания включен термистор Vr1 (15A/2Ohm).

Управляющая часть схемы запитана от PW1 (блок питания ноутбука 19В/2,5А не считается роскошью в данном случае, просто у меня много ноутбучных адаптеров от отживших свой век ноутбуков и это избавляет меня от необходимости проектирования источника питания для управляющей схемы).

Два стабилизатора напряжения (на транзисторе VT1 и микросхеме U4) служат для нормального распределения тепла на регулирующих элементах при получении необходимого напряжения питания в схеме управления (+12В), хотя, на самом деле, можно питать схему управления и напряжением +15В.

Что роскошно для такой схемы, так это микросхемы драйверов IR2110. Но было решено проверить работу устройства именно с этими драйверами на столь низкой для них частоте. Справились!

Шим-контроллер UC3525 был выбран не случайно. Менее дорогие микросхемы TL494 не смогли функционировать при частоте менее 250 Гц в двухтактном режиме (в однотактном — без проблем). Происходил сбой в работе внутренней логики и последовательность импульсов, а так же их длительность становились хаотичными. А жаль.

R3, R4 дают возможность перестройки частоты в определенных пределах. Регулировка длительности импульсов (соответственно — выходного напряжения) производится с помощью резистора R2, а начальная длительность «мертвого времени» устанавливается резистором R5. Схема не имеет стабилизации выходного напряжения (не ставилась такая задача), но ввести её в данном случае не сложно.

↑ Схема конвертора № 2: экономичный аналог схемы № 1

Схема, представленная на рис. 2 является дешевым (за счет замены специализированных драйверов транзисторами и исключением интегрального стабилизатора) аналогом предыдущей схемы и характеристических отличий не имеет.

↑ Схема конвертора № 3: аналог схемы № 1 на К1156ЕУ2, UC3825

Управление в схеме на рис. 3 выполнено на отечественной микросхеме К1156ЕУ2 (аналог — UC3825). Работа этой схемы абсолютно аналогична работе и характеристикам двух предыдущих схем, но, как оказалось, К1156ЕУ2 менее устойчива в работе на таких низких частотах и требует более тщательной компоновки и блокировки ее цепей питания конденсаторами большей емкости. При игнорировании этих условий, может быть нарушена плавность регулировки длительности импульсов вблизи их временного максимума.

Все три схемы легко масштабируются по мощности путем применения либо более мощных транзисторов либо путем их параллельного включения (для каждого из ключей). Все силовые компоненты желательно «посадить» на радиаторы. Прежде всего, это касается элементов питания схемы управления — обязательно.

До мощности 200 Вт в закрытом корпусе от ноутбучного адаптера использовались радиаторы с клейкой основой, предназначенные для установки на микросхемы памяти в видеокартах (выходные транзисторы и компоненты питания СУ) и нагружал на пару часов в испытательных целях. Так делать можно лишь при испытания, хотя схема, собранная на макетке, отработала безупречно и температура не превысила порога болевых ощущений пальца.

Радиаторы должны быть больше, чем те квадратики, которые я приклеил к «спинам» транзисторов. Насколько больше не буду уточнять, — все будет зависеть от конкретной конструкции.

Для построения приведённых выше схем не производилось никаких расчетов — голая схемотехника с готовыми проверенными схемными решениями, мною лишь перепроверенными и дополненными.

↑ Схема конвертора № 4: простой конвертор с чистой синусоидой — TL494CN

Схема конвертора, изображенная на рис4, выглядит несколько сложнее предыдущих, но является вариантом одного из самых простых конверторов с чистой синусоидой на выходе. На микросхеме U3 (TL494CN) собран обычный ШИ-генератор прямоугольных импульсов, работающем в однотактном режиме с частотой около 83 кГц. Частота генератора подобрана экспериментальным путём для нормальной работы имеющихся в моем распоряжении силовых и индуктивных компонентов.

С помощью переменного резистора R9 устанавливается скважность равная 2 для импульсов на выходе генератора, а, значит, и в диагонали мостового выходного каскада, образованного транзисторами VT2-VT5, что обеспечивает нулевое постоянное напряжение на конденсаторе С15, предотвращая появление постоянного напряжения в нагрузке.

Частота генератора устанавливается переменным резистором R26. В точку соединения резисторов R9, R10 подается модулирующий синусоидальный сигнал с частотой 60Гц с генератора, собранного на микросхеме А1 (А1.1) по схеме моста Вина, через буферный инвертор (А1.2) с регулируемым усилением посредством резистора R5. Величиной модулирующего сигнала и будет определяться величина выходного напряжения на выходе конвертора.

Понятно, что вершина синусоиды будет соответствовать максимальной ширине импульса, «дно» синусоиды (соответственно) — минимальной его длительности.
Были попытки подачи модулирующего сигнала на входы усилителей ошибки микросхемы TL494 (U3), тоже — приемлемый и проверенный вариант, но он мне показался менее эффективным за счет более скурпулезной настройки и не лучшего результата.
Кроме того, большее количество деталей, которое понадобилось бы для реализации варианта с использованием встроенных усилителей ошибки TL494, требовало бы более тщательной компоновки для улучшения помехозащищенности схемы в целом (этот фактор гарантированно присутствует при построении мощных импульсных устройств всегда).

По этой же причине возникла необходимость применения буферного усилителя (А1.2), снижающего влияние на схему генератора (А1.1), а так же построение формирователя искусственной аналоговой «земли» (средней точки) именно по такой схеме (резисторы R11-R15, конденсаторы С7, С8). Однако, при неправильной компоновке не помогут и эти меры и благие ожидания превратятся в искаженную синусоиду (например) или к вовсе неработоспособному устройству.

Поэтому, при построении этого или другого импульсного устройства, особое внимание следует уделять компоновке и разводке схемы. Например, навесные компоненты генератора U3 должны монтироваться в непосредственной близости от выводов микросхемы и иметь минимальные длины проводников. Корпуса драйверов U1, U2 монтируются так же в непосредственной близости от U3, а транзисторы VT2-VT5 должны иметь минимальные длины проводников в точка соединения по общему (минусовому) проводу между собой, конденсаторами С11-С14 и выводами микросхемам драйверов.

По прочим комплектующим. Дроссель Dr1 подбирался из тех, что применяются в качестве накопительных в схемах активных корректоров мощности (PFC) компьютерных блоков питания, а так же трансформаторы мощных обратноходовых импульсных БП (с использованием первичных обмоток). Таким образом, индуктивность используемых дросселей составляла 0,4 — 1,3 мГн.
Практически все дроссели от корректоров можно применить в данной схеме, но лучшие результаты были получены с дросселями на броневых ферритовых сердечниках, обмотки которых выполнены литцендратом. В отличии от дросселей, выполненных на кольцевых пермаллоевых сердечниках, броневые имели более высокую индуктивность, меньше грелись и обеспечивали меньшие потери при коммутации, что выражалось в меньшем нагреве ключевых транзисторов.

На форму и амплитуду результирующего напряжения использование различных дросселей (от корректоров мощности компьютерных БП) особого влияния не оказывало при мощности нагрузки до 300 Вт (с более мощной нагрузкой работа устройства не проверялась).

В качестве выходных ключей при испытаниях этой и прочих схем (описываемых здесь) применялись транзисторы (помимо указанных) IRFP460, IRF740, IRF840 (как в одиночном, так и в параллельном Х2 включении для каждого из ключей).

Схема достаточно перспективна для модернизации и масштабирования. Например, такой конвертор после доработки может быть использован в качестве стабилизатора выходного напряжения для любых устройств, имеющих питание от сети 50/60 Гц. Достаточно добавить корректор мощности наподобие тех, что используются в компьютерных БП. Их схемотехника довольно широко представлена в интернете. Корректор выполняет и функции стабилизатора питающего конвертор напряжения. Как следствие, амплитуда напряжения на выходе конвертора так же будет стабилизирована.

Учитывая возможность регулировки выходного напряжения конвертора, получаем устройство похожее на ЛАТР с диапазоном регулировки от 0 до 240-250 В (приблизительно). Причем, с возможностью регулирования частоты выходного напряжения. Стабилизацию можно осуществить и путем изменения несущей частоты (при снижении частоты амплитуда выходного напряжения возрастает и наоборот, — падает при росте частоты) и введя АРУ с обратной связью по выходу конвертора в генератор (или усилитель) основной частоты (60 Гц).

↑ Схема конвертора № 5: ШИМ, со стабилизацией

Одна из возможных схем стабилизации выходного напряжения конвертора показана на рис. 5, где переменное напряжение с выхода конвертора подается в цепь ООС генератора, регулируя коэффициент усиления А1.

↑ Схема конвертора № 6: ЧИМ, со стабилизацией — ОРА2604, NE5532, CD4093

На рис. 6 показана схема еще одной разновидности конвертора со схожими характеристиками, но в отличии от предыдущей схемы, где используется ШИМ, в этой схеме реализована ЧИМ (частотная модуляция). Здесь нет специализированных микросхем.

Генератор несущей частоты выполнен на быстродействующем ОУ ОРА2604 (А2.1 — возможна замена на NE5532), а элементы логики микросхемы CD4093 (DD1) формируют разнополярные сигналы для управления драйверами мощных ключей.

Второй ОУ (А2.2) использован для формирования искусственной аналоговой «земли». Схема генератора на А2.1 симметрична относительно ее выхода и модуляция синусоидой с генератора на микросхеме А1 может осуществляться по любому из входов А2.1.

Схема не требует предварительной установки скважности, т.к. скважность при отсутствии модулирующего сигнала всегда равна 2. Верхняя точка синусоиды соответствует минимальной несущей частоте, нижняя — максимальной. При указанных номиналах компонентов генератора (R8-R10, C6) и при максимальной амплитуде модулирующего сигнала на входе, несущая частота изменяется в диапазоне от 76 до 128 кГц. Понятно, что это свойство так же можно использовать для стабилизации выходного напряжения конвертора.


На рис. 9 показаны варианты включения обратных связей генератора, улучшающих в некоторой степени его помехозащищенность. Вместо элементов логики можно использовать еще один ОУ (с таким же быстродействием) с включением его так, как показано на схеме в рис. 7 (А3.1, А3.2). На этой же схеме упрощенно показана реализация одного из вариантов токовой защиты выходных ключей конвертора на ОУ А4.


На рис. 8 схема защиты показана несколько подробнее. В окончательной версии этих устройств в качестве защитной меры использованы одни лишь только плавкие предохранители, но, безусловно, электронная защита конвертора и нагрузки необходима.

↑ Схема конвертора № 7 — оптодрайверы HCPL3120

На рис. 10 в схеме конвертора использованы оптодрайверы HCPL3120, характеризуемые большим выходным током нежели у драйверов IR2110. Следовательно, позволительно в данном случае использование большего количества параллельно включенных транзисторов, либо транзисторов IGBT. Защиту, однако, здесь придется организовать с использованием логических элементов DD1.1, DD1.4, т.к. оптодрайверы в отличии от IR2110 не имеют входов SD, запирающих силовые ключи.

В этой схеме так же применён несколько иной генератор синусоиды, где частота перестраивается всего одним резистором (R1). В остальном схема конвертора на рис. 10 идентична (в т.ч. и — по характеристикам) предыдущей схеме. Стоит, однако, заметить, что для питания приемной части оптодрайвера необходимо напряжение не менее +15В.

Так же, производители оптодрайверов рекомендуют запитывать микросхемы, управляющие работой «верхних» ключей в полумостовых и мостовых схемах, от отдельного источника питания (полностью развязанного гальванически от электрических цепей «нижнего» уровня), бустрепное питание все же приемлемо для полноценной работы оптодрайверов, проверено (рис. 10).

↑ Схема конвертора № 8: стабильный генератор синусоиды ISL8038

В схеме на рис. 11 применен генератор синусоиды на микросхеме ISL8038, наиболее стабильный из всех испытанных: не убегает частота со временем (хотя и в генераторах на ОУ выбег частоты не превышал пары процентов), не срывается генерация (замечен такой грех у генераторов на ОУ). В остальном схема неотличима от схемы на рис. 6.

↑ Наладка схем конверторов

Наладка схем представленных конверторов не сложна и может быть осуществлена в безопасном (без подачи высоких напряжений) режиме. Для питания схем конверторов достаточно подачи напряжения с адаптера, питающего схему управления (в т.ч. — для питания выходных ключей).

Так, для схем конверторов на рис. 1, 2, 3 достаточно включить питание, с помощью переменных резисторов (R4) выставить необходимую частоту генерации, контролируя осциллографом или частотомером выводы 11, 14 микросхемы U1.
Движок резистора R2 при этом должен находиться в крайнем верхнем по схеме положении для получения на выходе генератора импульсов близких к своему временному максимуму (около 50% от периода). Просто, если вдруг окажется так, что ползунок переменника R2 окажется в крайнем нижнем положении (по схеме), работа генератора окажется заблокированной и придется догадываться о причинах блокировки.

Выставив необходимую частоту, можно приступить к проверке регулировочных свойств конвертора. Перемещая движок переменника R2 вниз (по схеме), добиваемся уменьшения времени импульса до такого реально возможного минимума, при котором нет срыва колебаний генератора (2-3% от периода легко отследить на осциллографе).

Отключаем питание, измеряем сопротивление резистора R2 от «землянного» вывода до движкового, вычисляем процент от полного его номинала и устанавливаем между «землей» и нижним выводом переменника R2 ограничительный резистор Rdop, который бы ограничивал временной минимум импульса.

Т.е., если измеренное сопротивление оказалось равным 3,3 кОм (при этом сопротивление номинала — 10кОм), сопротивление верхнего участка окажется равным 67% от номинала. Представим, что номинал и есть 67% и вычисляем сумму сопротивлений R2+Rdop. Приблизительно = 14,9 кОм. Вычтем номинал R2 и получим Rdop = 4,9 кОм, подбираем ближайшие номиналы: 4к7 или 5к1.

После проверки регулировки импульса, осциллографом проверяем работу выходных ключей. Высокая повторяемость импульсов в диагонали моста, полное отсутствие нагрева транзисторов будет свидетельствовать о нормальной работе устройства в целом.

Установите в диагональ моста нагрузку в виде 10 — 30 Вт лампы соответствующей мощности, для полной убежденности в работоспособности устройства. Посмотрите на осциллограммы под нагрузкой, регулируя ширину импульсов от минимума до максимума. Ширина импульсов, амплитуда и частота должны оставаться такими же, как и без нагрузки.

Возможен небольшой нагрев транзисторов (без радиаторов). В большинстве случаев все недочеты схемы «вылезут» уже при таком испытании. Если все прошло нормально, следует вернуть схему (питание ключей) в исходное состояние и производить проверку в штатном включении. Для того, чтобы обезопасить себя и конструкцию, первое включение следует производить с лампой накаливания (100 — 300 Вт), включенной в разрыв сетевого питания ~220 В конвертора.

Настройка схемы по рис. 4. Кроме того, что уже содержится в описании схемы, добавлю, что настройка так же производится при пониженном питании (на питание ключей, кстати, можно подать, если имеется такая возможность, и большее выпрямленное напряжение от какого-нибудь силового трансформатора, соединив полярные выводы «испытательного» диодного моста с одноименным выводами «штатного») — от источника питания схемы управления.

Для начала проверяется работа ШИ-генератора с включенной в диагональ транзисторного моста соответствующей питанию нагрузки (желательно, лампы накаливания — для визуализации работы). Выворачиваем ползунок переменника R5 в крайнее правое (по схеме) положение (обеспечивая отсутствие сигнала на выводе 4 микросхемы U3).

Установка частоты ШИ-генератора (83кГц — желательно) — с помощью переменника R26 (развертка осциллографа — 5 мксек); установка скважности равной 2 с помощью переменника R9 (длительности нижней и верхней полок импульса должны быть равны) и лампа, включенная параллельно конденсатору С15 должна полностью погаснуть.

Проверяются импульсы в диагонали транзисторного моста (должны быть неотличимы от импульсов на выходе U3 — выводы 8, 11). Параллельно конденсатору С15 импульсов быть не должно.

Установив любой вольтметр для измерения постоянного напряжения параллельно С15 и регулируя R9 от минимуму до максимума, убеждаемся в наличии изменяемого постоянного напряжения от отрицательного до положительного.

Далее проверяем работу генератора синусоидального напряжения и усилителя на микросхеме А1. Заставляем релаксировать А1.1, регулируя переменник R3 (развертка осциллографа выставляется на 5 мсек). Частоту (60Гц) устанавливаем и симметрируем переменниками R1, R2. Добиваемся не срываемой генерации при максимальной по амплитуде неискаженной синусоиды.

Затем, установив осциллограф с разверткой 5 мсек параллельно конденсатору С15, вращая R5, добиваемся максимальной неискаженной синусоиды на С15.

Все получилось? Ставим ограничительные резисторы (задающие диапазон регулировки выходного напряжения) справа и слева (по схеме) от переменника R5.

Настройка схемы по рис. 6. Схема настраивается при пониженном напряжении питания. Опорная (или — нулевая) частота генератора выбирается произвольно в диапазоне 100-180 кГц с помощью резистора. Так же для схем рис. 10 и 11.
На выходе конвертора (конденсатор С15) при этом должно отсутствовать какое-либо постоянное напряжение, если движок резистора R5 находится в правом крайнем (по схеме) положении и на выходе микросхемы А1.2 нет сигнала.

В диагонали транзисторного моста должны наблюдаться симметричные импульсы прямоугольной формы.

Настройка генератора синусоиды описана в предыдущем разделе по схеме на рис. 4. Резистором R5 добиваемся неискаженной синусоиды максимальной амплитуды. Проверяем с нагрузкой и без нее.

Настройка в части генератора несущей частоты схем по рис. 10 и рис. 11 идентична настройке схемы по рис. 6 за исключением генераторов синусоиды. Но и здесь все достаточно просто. На рис. 10 частота генератора устанавливается переменником R1, искажения — переменником R3. Номинал конденсатора С6 на схеме ошибочен. С4 — С6 = 33 нФ.

На рис. 11 частота генератора устанавливается переменником R1, искажения — переменником R2.

↑ Итого

Все схемы собраны, промерены, проверены под нагрузкой и работают без проблем в макетном исполнении. Конвертор, собранный по схеме на рис. 4 около года функционирует в диапазоне нагрузок 70 — 300 Вт.

Успехов вам и будьте здоровы всегда!
Константин

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации