Автомобильный бестрансформаторный DC/AC конвертор: получаем 50Гц в автомобиле

Несмотря на огромный арсенал всевозможных аналогов бытовых устройств, предназначенных для работы от бортовой автомобильной сети (далее по тексту БАС), все же большим спросом пользуются автомобильные инверторы, предназначенные для питания устройств, способных работать лишь от электросети с напряжением 220В/50Гц.

Наряду с промышленными образцами инверторов, существует и огромное количество радиолюбительских устройств, преобразующих напряжение БАС в формат ЭСОП. Чаще всего, в стремлении изготовить максимально простое и надежное устройство, конструирование подобных преобразователей напряжения (ПН) сводится к следующему схемотехническому решению: двухтактный задающий генератор, формирующий последовательность импульсов с частотой 100Гц и управляющий мощными транзисторными ключами в пушпульной схеме, нагруженными, в свою очередь, на симметричные первичные полуобмотки силового повышающего трансформатора, со вторичной обмотки которого снимается напряжение формата ЭСОП. Известная сложность, с которой сталкиваются радиолюбители при построении подобных ПН, - изготовление выходного трансформатора или поиск/приобретение экземпляра с необходимыми параметрами. Фазы изготовления/приобретения необходимого трансформатора однако можно избежать, если выход такого ПН сделать… бестрансформаторным. Правда сам ПН при этом будет уже с двойным преобразованием частоты и получится схемотехнически более сложным, но каждый вправе сделать выбор между: муторностью и правильностью намотки трансформатора или изготовлением несколько более сложной печатной платы; громоздкостью традиционной трансформаторной конструкции или малым объемом и весом бестрансформаторного устройства.


DC-AC конвертор, принципиальную схему которого вы видите, является частью ПН и предназначен для преобразования постоянного напряжения +220В, получаемого от ЛЮБОГО высокочастотного преобразователя, - в переменное ~220В/50Гц. На выходе этого конвертора, так же, как и на выходах простейших трансформаторных ПН, вы так же не увидите синусоиды, разве что, - скругленные простыми фильтрами, имеющимися на выходе конвертора, прямоугольные импульсы с затянутым фронтом и спадом, что придает отдаленное сходство с синусоидой.
Для большинства приборов, пригодных для использования в дороге (небольшие телевизоры, музыкальные центры, осветительные приборы) и имеющих в своем составе импульсные БП, либо содержащие лишь активную нагрузку, такая форма напряжения вполне приемлема.

Задающий генератор конвертора выполнен на распространенной микросхеме TL494CN (DA1), формирующей двухфазную последовательность прямоугольных импульсов частотой 100Гц. Эти импульсы с выводов (8,11) DA1 подаются через резисторы (R17, 19) на затворы транзисторов (T4, 6), образующих нижние плечи мостового коммутатора. Т.к. частота переключения не высока, и емкости затворов транзисторных ключей коммутатора при такой частоте не сильно влияют на время нарастания напряжения на затворах, сопротивления затворных резисторов выбраны относительно большими, но шунтированы переходами диодов (VD3,4), активными при спаде управляющего напряжения, нейтрализуя действие затворной емкости при ее разряде.

Верхние плечи коммутирующего моста управляются с помощью бустрепных каскадов, действие которых основано на перезаряде емкостей конденсаторов (С7,8) при переключении транзисторов (T1,2) из одного состояния – в другое. Таким образом, заряд положительной полярности, накопленный конденсаторами через диоды (VD1,2) при запертых транзисторах (Т1,2), отдает его мгновенно затворной емкости при открывании Т1,2, эффективно запирая верхние ключи коммутирующего моста. Действие бустрепных каскадов, которые, кстати, широко используются в современных драйверах, предназначенных для управления силовыми IGBT- и MOSFET-ключами, подробно (для тех, кого не устроит слишком краткое пояснение в данной статье) описано в книге Семенова Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному» (Солон-пресс, 2005г), стр332.

Фактически мощным ключом на полевом транзисторе управляет конденсатор (С7,8), транзисторы (Т1,2) лишь обеспечивают коммутацию обкладок конденсатора и необходимую инверсию управляющего импульса, относительно «нижнего» управляющего импульса. Такое построение драйвера дает возможность управления верхними плечами мостового коммутатора без гальванической развязки между цепями управления верхними и нижними плечами коммутатора. В данном случае это не только приемлемо, но и – необходимо, т.к., для получения управляющих импульсов достаточно большой длительности, потребовался бы широкополосный переходной трансформатор, обеспечивающий их безукоризненное прохождение, а, значит, имеющий большую индуктивность и значительные габариты (нам это надо?). Низкая частота коммутации позволила обойтись без специализированных и относительно дорогостоящих интегральных драйверов, которые для управления мостовым коммутатором пришлось бы использовать числом не менее 2-х корпусов (как одно-, так и двухуровневых).

Схема автоматического поддержания симметрии импульсов выполнена на резисторах R21-24, конденсаторах С3,12 и диоде VD7, с подачей сигнала рассогласования на вывод 4 DA1. Резисторы R2,3 обеспечивают начальную симметрию выходных импульсов. Из усилителей ошибки в DA1 задействован лишь один (выводы 15,16 DA1), отслеживающий перенапряжение по входу питания, запирающий выходные ключи при возникновении аварийной ситуации. Кроме того, перекос по постоянному напряжению, возникающий при пробое или обрыве одного из 4-х ключей коммутатора, так же приведет к появлению высокого уровня на выводе 15 (DA1), инициируя появления сигнала ошибки на выводе 3 (DA1), что так же приведет к запиранию силовых ключей коммутатора.

Светодиод HL1 будет работать лишь при наличии «переменки» на выходе конвертора.


Сам конвертор запитывался в оригинальном устройстве напряжением +220В от диодного моста ШИ-стабилизированного DC/DC инвертора в «классическом» исполнении: ШИМ на TL494 с рабочей частотой 72кГц, драйверы на эмиттерных повторителях, управляющие ключами на мощных полевых транзисторах, нагруженных на трансформатор с габаритами, сходными с габаритами трансформатора компьютерного БП. Это значит, что расчет трансформатора уже практически произведен (для тех, кто когда-либо уже производил подобные расчеты). Микросхема DA1 запитана от отдельной обмотки этого трансформатора через однополупериодный выпрямитель с выходным напряжением 15В.

Принципиальная схема описываемого конвертора была восстановлена по печатной плате принесенного в ремонт промышленного ПН (12В/220В/50Гц/150Вт), предназначенного для работы с БАС через автомобильный прикуриватель. Производитель неизвестен, т.к. ПН был без корпуса. Поскольку монтаж ПН СМД-шный, номиналы конденсаторов распознать не удалось. Поэтому при повторении конвертора для расчета Rt и Ct (времязадающие компоненты тактового генератора TL494, соответственно, резистор R7 и конденсатор С2) воспользуйтесь следующей формулой для расчета частоты генератора при двухтактном включении (вывод 13 соединен с опорным напряжением на выводе 14): F=1/(2Rt*Ct). При подборе конденсаторов С4,5,11 отслеживайте симметричное затягивание фронта/спада, импульсов - осциллографом.

Отремонтированный ПН легко зажигал лампу накаливания мощностью 150Вт с временно установленными радиаторами, имеющими небольшую площадь охлаждения. При работе в течении 5 минут, нагрев был незначительным. При использовании инвертора DC/DC большей мощности, описанный конвертор безусловно сможет работать на бОльшую нагрузку (параметры силовых ключей позволяют, но нужны эксперименты). Возможно, придется увеличить площадь охлаждения радиатора ключей конвертора и изменить номиналы резисторов в схеме драйверов.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации