Простой преобразователь 12 - 220В

Предлагаю вариант решения проблемы преобразования постоянного напряжения 12В от автомобильного аккумулятора в переменное 220В.

Такие преобразователи стали последнее время очень популярны, так как многие радиолюбители самостоятельно изготавливают источники бесперебойного питания для компьютеров. Так же в связи с уменьшением энергоемкости телевизоров заманчивым становиться их питание в походных условиях от сети автомобиля или даже дома, если вдруг отключили сеть во время любимой передачи. Особый случай это плановые и неплановые отключения электроснабжения (подумать только, XXI век на дворе!). Очень перспективным является применение таких преобразователей с люминесцентными лампами, обладающими высоким КПД.

Известно, что их эффективность может в 6-8 раз превосходить лампы накаливания. Причем от аккумулятора можно запитать как традиционную ЛДС с индуктивным балластом, так и ЛДС нового поколения с электронным пускорегулирующим устройством (энергосберегающие лампы со стандартным винтовым цоколем). Для питания последних даже не важна частота питающей сети, ведь внутри все равно стоит диодный мост из диодов 1N4007, или аналогичных, и конденсатор емкостью около 10мкф на 350В, так что питать такую лампу можно хоть постоянным напряжением, хоть переменным частотой до нескольких килогерц.

Применение даже дорогих энергосберегающих ламп с таким преобразователем вполне оправдано ввиду высокой их эффективности. Судите сами, построив преобразователь мощностью всего один-два десятка ватт можно от аккумулятора засветить энергосберегающую лампу "Philips Ecotone 11Wt" или аналогичную, и при потреблении от аккумулятора всего 1-1.1А получить световой поток высококачественного белого света мощностью как от 75Вт лампы накаливания.

Как показывают простые расчеты и проведенный эксперимент, даже самый маленький "мотоциклетный" аккумулятор 12В 9Ач может работать с такой лампой 8 часов. Автомобильного же с емкостью 60Ач хватит уже, как минимум, на двое суток непрерывного свечения.

Причем важно использовать фирменную качественную лампу, потому что безродные (читай — дешевые) не дают положенного светового потока, имеют неприятный синеватый оттенок свечения и даже часто вредны для глаз.

Общие принципы работы таких преобразователей примерно одинаковы: преобразовать постоянное напряжение в переменное с помощью мультивибратора или блокинг-генератора и повысить его трансформатором до необходимого уровня, чаще всего 220В.

Схемотехнических решений преобразователей на сегодня существует немало, но многим из них свойственны определенные недостатки.

Так, блокинг-генераторы требуют самостоятельного изготовления трансформатора с большим числом обмоток и нестабильны в работе при температурных перепадах.

Мультивибраторы, реализованные на транзисторах требуют настройки симметричности переменного тока, очень чувствительны к неодинаковости параметров транзисторов. Не полностью решается эта проблема и в мультивибраторах на логических элементах. Довольно трудно также обеспечить постоянство частоты преобразования.

Выход из сложившейся ситуации был найден. В описанном ниже устройстве устранено большинство недостатков традиционных схем. Переменное напряжение формируется с помощью цифрового управления двумя мощными транзисторными ключами. Управляющие сигналы формируются таким образом, что полностью исключается протекание сквозного тока через силовые транзисторы.

Итак, о работе устройства(Смотри рисунок 1)

Если на вход "Stop" (выводы 9 и 12 DD1) подать лог.0, то на выходах DD1.3 и DD1.4 всегда будет лог.1, что обеспечивает запирание транзисторов и выключение преобразователя. В таком состоянии он потребляет от батареи всего несколько миллиампер. Именно по этому входу должен управляться преобразователь, если есть необходимость его включать/выключать. Благодаря такому решению для пуска и остановки можно применить любые, даже самые слаботочные выключатели.

Рисунок 1

Задающий генератор реализован на элементах DD1.1 и DD1.2, он работает на частоте 500Гц. Импульсы этой частоты подаются на вход десятичного счетчика DD2, на выходах которого поочередно появляется лог.1. На диодах VD1-VD8 реализованы два лог. элемента ИЛИ, можно было бы применить подходящую ИМС, но четырехвходовые элементы ИЛИ из семейства КМОП есть только в 176 серии, которая не допускает питания выше 9В. Пока счетчик в состоянии "0", напряжения нету ни на одном из анодов VD1-VD8, на входах DD1.3 и DD1.4 присутствуют комбинации 01 (единица на один вход подана через R5) на выходах, соответственно, лог.1, все транзисторы в запертом состоянии.

После первого же импульса лог.1 появится на выходе 1 DD2 (вывод 2), выходное напряжение DD1.3 изменится до лог.0, откроется VT1, а вслед за ним и VT3.

Открытыми эти транзисторы будут оставаться до тех пор, пока счетчик не досчитает до 5, тогда опять все транзисторы закроются. После 6-го импульса лог.1 появится на выходе 6 DD2 (вывод 5), легко видеть, что это приведет к отпиранию VT2 и VT4. После 10-го импульса транзисторы опять закроются. Так в преобразователе каждые пол-периода формируется пауза длительностью 0.1 периода, благодаря чему полностью исключено протекание сквозного тока через силовые транзисторы. В результате на вторичной обмотке трансформатора формируется напряжение такой формы, как показано на рисунке 2. Если хотите его увидеть на экране осциллографа, обязательно подключите его параллельно нагрузке, а не на холостом ходу.

Рисунок 2

На первый взгляд может показаться, что сквозного тока тут быть не может, так как имеет место параллельное соединение обмоток и транзисторов, но на самом деле это возможно, поскольку после отпирания одного из транзисторов в "его" полуобмотке формируется ток прямого направления, а в другой полуобмотке этот ток имеет противоположное направление по отношению к транзистору, и если в этот момент откроется и второй транзистор, то это будет равносильно короткому замыканию.

Устройство налаживания практически не требует, достаточно только подбором R1 установить требуемую частоту преобразования. Помните, что частота напряжения на выходе трансформатора в 10 раз ниже частоты следования импульсов на входе счетчика.

Если нужна частота именно 50Гц, то трансформатор придется выбирать довольно большим, это может быть обычный сетевой трансформатор с одной обмоткой на 220В, и одной на 22 с отводом от середины (можно две по 11В включить последовательно). Мощность восновном определяется мощностью трансформатора и может достигать 200Вт с транзисторами КТ827 в качестве VT3 и VT4. Если преобразователь не будет развивать мощность более 15Вт, то транзисторы можно не ставить на теплоотводы, в противном случае площадь теплоотвода должна быть примерно 1см.кв на 1Вт выходной мощности.

Если частота не критична, то можно обойтись и более малогабаритными трансформаторами, до 400Гц еще можно использовать трансформаторную сталь, на более высоких частотах предпочтителен феррит.

Методика расчета традиционная. Обмотки I и II должны быть рассчитаны на 11В, обмотка III - на 220. Диаметр провода должен соответствовать потребляемой мощности.

Например, для преобразователя мощностью 165Вт с выходным напряжением 220В 50Гц был изготовлен трансформатор на тороидальном магнитопроводе из трансформаторной стали размером 95х54х32мм, обмотки I и II содержат по 49 витков провода диаметром 2.4мм, обмотка III содержит 984 витка провода диаметром 0.6мм.

КПД такого преобразователя получился примерно 90%. Для достижения максимального КПД, провода, соединяющие аккумулятор с преобразователем должны иметь минимальную длину и иметь достаточно большое сечение. Клеммы аккумулятора соединяют толстым проводом непосредственно с эмиттерами мощных транзисторов и с серединой первичной обмотки трансформатора, а потом уже тонким проводом от этих точек подают напряжение на схему управления. Особое внимание следует уделить соединению проводов питания и клемм аккумулятора.

Все детали преобразователя кроме трансформатора и транзисторов VT3 и VT4 расположены на печатной плате (рисунок 3.)Данный преобразователь, точнее его логическую часть, легко можно приспособить для управления практически любыми мощными транзисторами, в том числе и полевыми. Нужно только подкорректировать параметры резисторов R4, R6, R7, R8 для достижения насыщения силового транзистора. Если ток базы силовых транзисторов более 0.2А, то в качестве VT1 и VT2 надо применить интегральные составные транзисторы типа КТ973. К стати, если прямо к их коллекторам подключить трансформатор, можно получить преобразователь мощностью 8-10Вт, даже без использования VT3 и VT4.

Если преобразователь будет использоваться для питания ЛДС с индуктивным балластом, то в этом случае необходима точная установка частоты 50 Гц +/- 1Гц. Дело в том, что реактивное сопротивление пускорегулирующего дросселя сильно зависти от частоты переменного тока, и если частота выше 51Гц, то лампа врядли запустится, а если ниже 49Гц, то может и перегореть. Настройку частоты можно провести даже без частотомера, по реакции самой лампы.

Резистор R1 заменяют цепочкой из последовательно соединенных постоянного резистора 33кОм и переменного на 470кОм. Устанавливают минимальное сопротивление переменного резистора, частота при этом максимальна. ЛДС, подключенная к выходу преобразователя зажигаться не должна. Плавно понижаем частоту преобразования до тех пор, пока лампа не будет стабильно зажигаться и давать такой же световой поток как и от стандартной сети. Возможно повышенное "гудение" дросселя, потому что напряжение все-таки не синусоидальное. После розжига лампы частоту можно повысить, тогда ее яркость уменьшится, а следовательно и расход энергии аккумулятора тоже. Потому если использовать преобразователь с такими ЛДС, то переменный резистор для корректировки частоты может использоваться для регулирования яркости лампы, причем в очень широких пределах.

Что касается усовершенствования прибора, то можно рекомендовать переключить вывод 1 DD 1 к точке “ Stop ”, это снизит ток потребления в режиме останова практически до 0, благодаря остановке генератора, но при этом не всегда гарантирован моментальный запуск при снятии нулевого запрещающего сигнала.