Оборудование и аксессуары для лодок

Зарядное устройство на шим-генераторе. Схема защиты блока питания и зарядных устройств Зарядное устройство на полевом инверторе схема

Блоки питания радиоэлектронной аппаратуры строятся по схемам импульсного инвертирования (преобразования) сетевого напряжения в постоянное напряжение на нагрузке. В классическом трансформаторном варианте требуется мощное стабилизирующее устройство с применением габаритного трансформатора и охлаждающих радиаторов для диодных мостов и транзисторов стабилизатора выходного напряжения. Нескольких степеней защиты нагрузки от превышения выходного напряжения и тока, при пробое мощного регулирующего элемента, не всегда защищают от повреждения. Повышенное сетевое напряжение приводит к перегреву силового трансформатора и росту потерь мощности на регулируемых элементах стабилизатора.
Разработка импульсных питающих устройств - инверторов, позволило создать недорогие устройства с небольшим весом и габаритами.

Инверторы позволяют с низкими потерями передать энергию электросети в нагрузку с преобразованием её в любое желаемое напряжение и ток, защита элементов преобразователя от перегрузок не представляет собой сложных и мощных систем, и занимает минимальное место на плате преобразователя (1).
Напряжение питающей сети может отличаться от принятого в данном районе стандарта и позволять использовать прибор в районах с пониженным сетевым питанием.

Силовой ключ инвертора гальванически связан с электросетью через выпрямитель и фильтры сетевых помех.
Для преобразования высокого постоянного напряжения сети в низкое напряжение нагрузки служит высокочастотный преобразователь.
Назначение такого устройства заключается в передаче энергии в нагрузку без потерь с применением высокочастотного преобразования тока.
Для гальванического разделения напряжения сети от напряжения нагрузки служит высокочастотный трансформатор на сердечнике из феррита - прессованных окислов железа с повышенными магнитными свойствами.
В практике также используются инверторы без применения переходного трансформатора, единственным условием применения таких устройств является соблюдение техники безопасности при эксплуатации из-за присутствия высокого напряжения электросети.
В схеме инвертора происходит тройное преобразование тока: выпрямление напряжения сети в постоянное напряжение, преобразование постоянного высокого напряжения в импульсное высокочастотное, преобразование высоковольтного высокочастотного напряжения в низковольтное с последующим выпрямлением и стабилизацией.

Стабилизация выходного напряжения выполнена введением отрицательной обратной связи с выхода инвертора на вход широтно-импульсного генератора преобразователя с элементом гальванической развязки оптопарой.
Изменение скважности импульсов генератора позволяет в ручном и автоматическом режиме поддерживать заданное выходное напряжение.
Полумостовой преобразователь напряжения выполняется на биполярных или полевых транзисторных ключах, по схеме полумостового двухтактного усилителя.

Характеристика устройства:
Напряжение сети 160-240 Вольт.
Мощность 150ватт
Вторичное напряжение 13,8 Вольт
Ток нагрузки средний 10 Ампер
Вес устройства 370 грамм.
Частота преобразователя 27кГц.
КПД 91%

В схему инвертора входят:
1. Сетевой высоковольтный выпрямитель с фильтрами помех преобразования.
2.Элементы ограничения тока заряда конденсаторов сетевого фильтра.
3. Элементы защиты от импульсных помех высокого уровня.
4. Цепи преобразования вторичного напряжения.
5. Элементы индикации преобразования.
6. Элементы цепи обратной связи с оптоэлектронным усилителем ошибки и гальваническим разделением цепей.
7. Транзисторный инвертор напряжения с переходным высокочастотным трансформатором.
8. Генератор прямоугольных импульсов на аналоговом таймере.
9. Параметрический стабилизатор напряжения питания генератора.
10. Широтно-импульсный модулятор на транзисторе.
11. Широтно- импульсный регулятор выходного напряжения.

По сравнению с однотактными преобразователями напряжения, в схеме двухтактного преобразователя снижены требования к характеристикам ключевых транзисторов – понижено в два раза допустимое напряжение, снижены требования к утилизации обратных токов обмоток трансформатора, отсутствует постоянный ток подмагничивания обмоток - что позволяет увеличить выходную мощность устройства вдвое, без существенных дополнительных затрат.

Описание работы элементов схемы

Генератор прямоугольных импульсов выполнен на аналоговом интегральном таймере DA1(Рис.1). В схеме устройства полумостового инвертора желательно использовать таймер с пониженным энергопотреблением (2). Микросхема DA1 соответствует конструктивным требованиям и обладает стабильной работой в широком диапазоне питающих напряжений, имеет мощный выход и малое потребление тока. Внутренняя структура состоит из функциональных узлов: двух операционных усилителей, работающих в качестве компараторов (вход2 и 6); RS - триггера; выходного усилителя для повышения нагрузочной способности; ключевого транзистора с открытым коллектором (вывод 7); вывод сброса в нулевое состояние (4); вывод прямого доступа к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания - модификации схемы (5).

Выводы схемы таймера DA1 обозначены в процессе описания устройства, исходя из их использования в работе принципиальной схемы.

Таблица 1. Параметры аналогов таймера:

Тип таймера	U-питания	I-потр.мА	U-вых макс.	F-мГц	Примечание

С понижением напряжения источника питания ток потребления микросхемой падает, частота преобразователя меняется незначительно - не более 1%.
При снижении напряжения на выводе 5DA1 - модификации таймера, длительность выходного импульса сокращается, что приведёт к уменьшению среднего тока зарядки аккумулятора.
Применение интегрального таймера позволяет довольно просто выполнить генератор импульсов. Процесс заряд - разряда внешнего конденсатора C1 происходит циклически. Регулятор скважности импульсов R1 позволяет изменять выходное напряжение на нагрузке ХТ1-ХТ2.

Заряд конденсатора С1 происходит через диод VD1 и резисторы R1,R2, разряд через диод R1,R2,VD2, R4.Частота генератора при этом не меняется. Регулируется только ширина импульсов.
При необходимости частоту следования импульсов можно модифицировать изменением ёмкости конденсатора C1.
Для работы микросхемы в режиме автогенератора входы 2DA1 и 6DA1, внутренних компараторов соединены вместе. Заряд внешнего конденсатора С1 сопровождается повышением напряжения на нём до уровня 2/3 напряжения питания, а высокий уровень напряжения на выходе 3DA1 переключается на низкий. При падении напряжения на конденсаторе С1 до уровня 1/3 напряжения питания (за счёт разряда через внутренний транзистор микросхемы - вывод 7DA1), через цепь R1,R2,VD2,R4 внутренний триггер вновь переключит выход 3 DA1 на высокий уровень, с последующим зарядом конденсатора С1.

Индикатор HL1 визуально указывает на наличие высокого уровня на выходе 3DA1.
Отношение интервала высокого уровня к полному периоду называется скважностью или рабочим циклом и зависит от значения сопротивления цепей заряда и разряда конденсатора С1.

Инвертор напряжения:
Импульс положительной полярности с выхода 3DA1 через ограничительный резистор R4 поступает на базу биполярного транзистора VT1 широтно-импульсного усилителя.
Транзистор VT1 открывается и переключает транзисторы VT2,VT3 в противоположные состояния проводимости.
Смена высокого уровня вывода 3DA1 на нулевой сопровождается закрытием проводимости транзистора VT2 и открытием транзистора VT3. В точке соединения VT2,VT3, VD5,VD6,R16,1T1 формируется прямоугольный импульс.
Резисторы R11,R12 и конденсаторы C4,C5 в базовых цепях транзисторов VT2,VT3 снижают уровень сквозного тока, выводят транзисторы из насыщения в момент переключения транзисторов, что также снижает потери в цепях управления и нагрев транзисторов.

Дополнительные условия переключения создаются подключением разрядного транзистора таймера (вывод 7DA1) к базе транзистора VT1, открытие транзистора происходит с некоторой задержкой созданной резистор R4, а выключение с меньшим временем, что положительно сказывается на переключение выходных транзисторов преобразователя напряжения. Применение пропорционально - токового управления транзисторными ключами в сочетании с насыщающимся коммутирующим трансформатором позволяет в момент переключения автоматически выводить транзисторы из насыщения.
Демпфирующие диоды VD5,VD6 подключены параллельно транзисторам VD2,VD3 и защищают от импульсов обратного напряжения, в некоторых транзисторах они установлены в корпусе, но в паспортных данных это не всегда отражено.

Таблица 2. Замена транзисторов:

Транзистор	Uк- напряжение	Ток коллектора	Pk мощность	h21 усиление	T вкл.мск	Корпус

Транзисторы Т2,Т3 необходимо установить на радиатор через прокладки и изолированные шпильки. Высокочастотный трансформатор T1 применён без переделки от компьютерного блока питания типа ТХ.
Разделительный конденсатор C8 устраняет протекание через первичную обмотку 1Т1 постоянной составляющей при возможно разных характеристиках выходных транзисторов VT2,VT3 и конденсаторов фильтра С9,С10.
Конденсатор С7 с резистором R16 создают цепь, снижающую помехи преобразования, устраняют выбросы обратного напряжения, созданные в момент переключения тока обмотки трансформатора 1Т1.

Питание цепей инвертора:
Конденсаторы фильтра C9,C10 с разрядными резисторами R18,R19 создают искусственную среднюю точку высокого напряжения для трансформатора инвертора, Питание генератора импульсов выполнено через ограничительный резистор R6, R10, ввиду малого потребления генератором импульсов на таймере DA1 тока питания. Напряжение питания генератора стабилизировано стабилитроном VD3.
Сетевое напряжение, прежде чем попасть на диодный мост VD9 проходит ограничение от импульсных токов заряда конденсаторов фильтра C9,C10. Ограничение тока выполнено на резисторе RT1, его высокое сопротивление в «холодном» состоянии переходит в низкое по мере разогрева токами заряда конденсаторов фильтра.
Резистор RU1 шунтирует выбросы напряжения реверсивно поступающие при работе преобразователя в сети. Назначение трансформатора Т2 позволяет устранить проникновение импульсных помех преобразования в сеть и удлинить время запуска инвертора, на период зарядки конденсаторов С9,С10 сглаживающего фильтра.

Цепи питания нагрузки:
Высокочастотные мощные выпрямительные диоды VD7,VD8 позволяют передать мощность преобразователя в нагрузку в виде автомобильного аккумулятора, с контролем напряжения посредством светодиода HL2 и гальванического индикатора тока РА1 с внутренним шунтом на 10 ампер. Защита инвертора от перегрузки выполнена на предохранителе FU1. Аккумулятор подключается к клеммам ХТ1 и ХТ2, в соответствующей полярности, многожильным проводом в виниловой изоляции сечением 2-4мм.
Ток заряда аккумулятора устанавливается, согласно инструкций, завода изготовителя и рекомендаций по восстановлению аккумуляторов.
Конденсатор С6 снижает уровень помех в цепях зарядного тока аккумулятора.

Цепь стабилизации выходного напряжения:
Для поддержания определённого уровня напряжения и тока на нагрузке в схему введена цепь отрицательной обратной связи со вторичных цепей нагрузки на вход 5DA1 таймера генератора импульсов. Выходное напряжение инвертора с конденсатора C6 через мост на резисторах R13 R14R15 поступает на светодиод оптопары DA2..Гальваническое разделение первичных и вторичных цепей устраняет электротравмы.

Усиление, создаваемое оптопарой DA2 позволяет обойтись без дополнительного усилителя в цепи ошибки. Усиленный внутренним фототранзистором оптопары сигнал ошибки увеличивает ток в цепи открытого транзистора оптопары, вход 5DA1 шунтируется оптопарой на общий провод, напряжение на входе верхнего компаратора (6DA1) падает, он переключает внутренний триггер при меньшем напряжении на конденсаторе С1, среднее значение тока в нагрузке снижается. Температурную зависимость устройства можно дополнительно выполнить при установке вместо резистора R15 - терморезистор, укреплением его, через прокладку на радиатор транзисторов. Снижение напряжения нагрузки устраняет шунтирование входа верхнего компаратора по входу 5DA1, ток в нагрузке возрастёт до исходной величины.

Радиокомпоненты:
Радиодетали в схеме зарядного устройства установлены заводского исполнения, многие радиокомпоненты взяты от списанных мониторов и компьютеров, покупных деталей в устройстве практически нет. Выполнить трансформатор инвертора можно по рекомендациям в журналах (4), но сложно, проще взять трансформатор от монитора или блока питания компьютера.

Порядок сборки:
Печатные платы с радиокомпонентами инвертора и сетевого выпрямителя с цепями защиты монтируют в корпус на стойки, амперметр закрепляют в предварительно вырезанное отверстие, рядом в отверстия крепят клеем индикаторы HL1,HL2 - состояния схемы и регулятор R1 тока (скважности).
Выключатель SA1 и предохранители FU1, FU2 крепят в отверстиях корпуса.

Регулировка схемы:
Чтобы избежать неприятности, перед включением вместо предохранителя подпаивается лампочка от холодильника 220Вольт 15 ватт (3). Вместо нагрузки подключается лампочка от автомобиля 12Вольт 50свечей. Слабый накал лампочки холодильника указывает на рабочее состояние схемы. Через несколько секунд работы, после отключения от сети проверяются на нагрев транзисторы, если температура повышенная, выясняются причины возможного повреждения элементов и их замена на исправные. Резистором R14, при среднем положении движка резистора R1, устанавливается выходное напряжение 13,8 Вольт под нагрузкой. При повороте движка резистора R1 яркость лампочки нагрузки должна изменяться. При недостаточном охлаждении установленных на радиаторы транзисторов и диодов выпрямителя вторичного напряжения, на корпус зарядного устройства дополнительно устанавливается вентилятор, лучше для этого использовать корпус от устаревшего блока питания компьютера. Порядок зарядки и восстановления кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов описан в методическом пособии автора (5).

Использованная литература:
1. В.Сорокоумов. Импульсное зарядное устройство. Радио№8,2004 стр.46.
2. И.П.Шелестов. Радиолюбителям полезные схемы. книга 5.стр108. Солон-Пресс.2003г.
3. Б.Соколов. Усовершенствование электронного балласта. Радио №6, 2006 стр27.
4. А.Петров. Импульсный блок питания. Радиомир. №7/2002 стр.12.
5. Владимир Коновалов. «Автомобили и аккумуляторы». Методическое пособие Центра ДТТ. г.Иркутск 2009г. 70 стр.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
DA1	Программируемый таймер и осциллятор	LMC555	1		В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ940А	1		В блокнот
VT2, VT3	Биполярный транзистор	2SC4242	2		В блокнот
VD1, VD2	Диод	КД512Б	2		В блокнот
VD3	Стабилитрон	КС215Ж	1		В блокнот
VD4	Стабилитрон	КС133А	1		В блокнот
VD5, VD6	Выпрямительный диод	FR155	2		В блокнот
VD7, VD8	Диод	КД213Б	2		В блокнот
VD9	Диодный мост	RS406L	1		В блокнот
DA2	Оптопара	LTVD817	1		В блокнот
С1	Конденсатор	2200 пФ	1	Подбор	В блокнот
С2		100 мкФ 16 В	1		В блокнот
С3	Конденсатор	0.01 мкФ	1		В блокнот
С4, С5, С12	Конденсатор	0.1 мкФ	3		В блокнот
С6	Электролитический конденсатор	470 мкФ 25 В	1		В блокнот
С7	Конденсатор	2000 пФ	1		В блокнот
С8	Конденсатор	1 мкФ 400 В	1		В блокнот
С9, С10	Электролитический конденсатор	100 мкФ 160 В	2		В блокнот
С11	Конденсатор	0.1 мкФ 600 В	1		В блокнот
R1	Переменный резистор	100 кОм	1		В блокнот
R2	Резистор	2.4 кОм	1		В блокнот
R3	Резистор	1.6 кОм	1		В блокнот
R4	Резистор	240 Ом	1		В блокнот
R5	Резистор	1.2 кОм	1		В блокнот
R6	Резистор	47 кОм	1	1 Вт	В блокнот
R7	Резистор	12 кОм	1		В блокнот
R8	Резистор	2.7 кОм	1	0.5 Вт	В блокнот
R9	Резистор	510 Ом	1	0.5 Вт	В блокнот
R10	Резистор	1.2 кОм	1	1 Вт	В блокнот
R11, R12	Резистор	100 Ом	2

Схема такого импульсного блока питания в интернете встречается довольно часто, но в некоторых из них допущены ошибки, я же в свою очередь чуть доработал схему. Задающая часть (генератор импульсов) собран на ШИМ-контроллере IR2153. Схема из себя представляет типичный полумостовой инвертор с мощностью 250 ватт.

Импульсное ЗУ для зарядки аккумуляторов схема
Мощность инвертора можно повысить до 400 ватт, если заменить электролитические конденсаторы на 470 мкФ 200 Вольт.

Силовые ключи с нагрузкой до 30 -50 ватт остаются холодными, но их нужно установить на теплоотводы, возможно будет нужда в воздушном охлаждении.

Использован готовый трансформатор от компьютерного блока питания (подойдет буквально любой). Они имеют шину 12 Вольт до 10 Ампер (зависит от мощности блока, в котором они использовались, в некоторых случаях обмотка на 20 Ампер). 10 Ампер тока вполне хватит для зарядки мощных кислотных аккумуляторов с емкостью до 200А/ч.

Диодный выпрямитель - в моем случае была использована мощная диодная сборка шоттки на 30 Ампер. Диод всего один.

ВНИМАНИЕ!
Не коротить вторичную обмотку трансформатора, это приведет к резкому повышению тока в первичной цепи, к перегреву транзисторов, в следствии чего они могут выйти из строя.

Дроссель - тоже был снят от импульсного БП, его при желании можно исключить из схемы, он тут применен в сетевом фильтре.

Предохранитель тоже не обязательно ставить. Термистор - любой (я взял от нерабочего компьютерного блока питания). Термистор сохраняет силовые транзисторы во время бросков напряжения. Половина компонентов этого блока питания можно выпаять из нерабочих компьютерных БП, в том числе и электролитические конденсаторы.

Полевые транзисторы - я ставил мощные силовые ключи серии IRF740 с напряжением 400 Вольт при токе до 10 Ампер, но можно использовать любые другие аналогичные ключи с рабочим напряжением не менее 400 Вольт с током не менее 5 Ампер.

Разработка импульсных питающих устройств на основе инверторов позволяет создавать недорогие зарядные устройства с небольшим весом и габаритами. Двухтактные импульсные преобразователи критичны к несимметричному намагничиванию магнитопровода и возникновению сквозных токов. В полумостовом же инверторе с насыщающимся трансформатором отсутствует постоянная составляющая тока первичной обмотки, а напряжение на закрытых транзисторах не превышает напряжения сети.

В схеме инвертора происходит тройное преобразование:

выпрямление напряжения сети, т.е. получение постоянного высокого напряжения;
преобразование постоянного высокого напряжения в импульсное
высокочастотное и его трансформация в низковольтное;
преобразование высокочастотного напряжения в постоянное низковольтное, т.е. его выпрямление и стабилизация.

Предлагаемое устройство (рис.1) предназначено для зарядки автомобильных и других мощных аккумуляторов.

Генератор прямоугольных импульсов выполнен на аналоговом интегральном таймере DA1 серии 555 Внутренняя структура таймера содержит два компаратора, входы которых соединены с выводами 2 и 6, RS-триггер с входом (выводом 4) сброса в нулевое состояние, выходной усилитель для повышения нагрузочной способности, ключевой транзистор с коллектором, подключенным к выводу 7, вход управления (вывод 5 от делителя напряжения питания).

Для работы микросхемы в режиме автогенератора входы 2 и 6 внутренних компараторов DA1 соединены вместе. Заряд внешнего конденсатора С1 продолжается при повышении напряжения на нем до уровня 2/3 Uпит, а высокий уровень на выходе 3 DA1 при этом сменяется низким.

При падении напряжения на конденсаторе С1 до уровня 1/3 Uпит за счет разряда через внутренний транзистор микросхемы на выходе 3 DA1 вновь устанавливается высокий уровень.

Процессы заряда и разряда времязадающего конденсатора С1 происходят циклически. Заряд С1 происходит через диод VD1, R2 и включенную (левую по схеме) часть переменного резистора R1, разряд - через VD2, R2, R4 и правую часть R1. Такая схема позволяет с помощью R1 регулировать скважность импульсов (отношение длительности к периоду). Частота генератора при этом остается постоянной, а изменяется ширина (длительность) импульсов. За счет этого устанавливается нужное выходное напряжение на клеммах. ХТ1, ХТ2. Светодиодный индикатор HL1 позволяет визуально контролировать наличие высокого уровня на выходе 3 DA1.

Импульс положительной полярности с выхода 3 DA1 через ограничительный резистор R4 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. В результате, транзисторы VT2 и VT3 переключаются в противоположные состояния проводимости (VT2закрывается, а VT3 открывается). По окончании импульса и смене высокого уровня на выводе 3 DA1 на нулевой VT1закрывается, соответственно, закрывается VT3 и открывается VT2.

В точке соединения эмиттера VT2 и коллектора VT3 (на первичной обмотке импульсного трансформатора Т1) формируется прямоугольный импульс.

Резисторы R11, R12 и форсирующие конденсаторы С4, С5 в базовых цепях транзисторов VT2, VT3 снижают сквозной ток и выводят транзисторы из насыщения в момент переключения, уменьшая потери в цепях управления и нагрев транзисторов. Для открывания транзистора VT1 с некоторой задержкой и быстрого закрывания, что положительно сказывается на переключении выходных транзисторов, разрядный транзистор таймера (вывод 7) DA1 подключен к базе VT1.

Демпфирующие диоды VD5, VD6, включенные параллельно транзисторам VT2, VT3, защищают их от импульсов обратного напряжения. В некоторых транзисторах они уже установлены в корпусе, но в паспортных данных это не всегда отражено. Во время закрытого состояния ключей энергия, накопленная в трансформаторе Т1, передается в нагрузку и через демпферные диоды частично возвращается в источник питания.

Разделительный конденсатор С8 устраняет протекание через первичную обмотку трансформатора Т1 постоянной составляющей тока при разных характеристиках транзисторов VT2, VT3 и конденсаторов фильтра С9, С10. Демпферная цепочка С7-R16 устраняет выбросы обратного напряжения, возникающие в момент переключения тока в обмотках Т1. Дроссель L1 уменьшает динамические потери в коммутирующих транзисторах, сужая спектр генерируемых колебаний. Конденсаторы фильтра С9, С10 с выравнивающими резисторами R18, R19 создают искусственную среднюю точку для трансформатора инвертора.

Питание генератора импульсов выполнено по бестрансформаторной схеме через параметрический стабилизатор R6-R10-VD3.

Сетевое напряжение проходит через фильтр С12-Т2-С11. Ограничение тока заряда конденсаторов фильтра С9, С10 при включении устройства производит термистор RT1. Его высокое сопротивление в "холодном" состоянии переходит в низкое по мере разогрева токами заряда конденсаторов фильтра. Варистор RU1 шунтирует выбросы напряжения, поступающие при работе преобразователя в сеть.

Высокочастотные диоды VD7, VD8 выпрямляют напряжение с вторичной обмотки Т1, и на конденсаторе фильтра С6 получается постоянное напряжение, поступающее в нагрузку через амперметр РА1 с внутренним шунтом на 10 А. С помощью светодиодаHL2 осуществляется визуальный контроль наличия напряжения. Защита инвертора от короткого замыкания выполнена на предохранителе FU1. Заряжаемый аккумулятор подключается к клеммам ХТ1 и ХТ2 в соответствующей полярности проводом сечением 2...4 мм2.

Для поддержания заданного выходного напряжения в схему введена цепь обратной связи. Напряжение с делителя R14-R15,пропорциональное выходному, через ограничительный резистор R13 поступает на светодиод оптрона VU1. Стабилитрон VD4 ограничивает превышение напряжения на светодиоде. Фототранзистор оптрона подключен к входу управления (выводу 5) таймера DA1.

При увеличении выходного напряжения, например, из-за роста сопротивления нагрузки, увеличивается ток через светодиод VU1, фототранзистор оптрона открывается сильнее и шунтирует вход управления таймера. Напряжение на входе верхнего компаратора DA1 падает, он переключает внутренний триггер при меньшем напряжении на конденсаторе С1, т.е. длительность импульса DA1 уменьшается. Соответственно снижается выходное напряжение, и наоборот. Температурную зависимость выходного напряжения устройства можно компенсировать, заменив R15 терморезистором и закрепив его через прокладку на радиаторе транзисторов.

Детали и конструкция. Высокочастотный трансформатор Т1 типа ЕRL-35R320 или АР-450-1Т1 применен без переделки от компьютерного блока питания АТ/АТХ. Примерное число витков первичной обмотки - 38...46, провод 0,8 мм. Вторичная обмотка имеет 2x7,5 витков и выполнена жгутом 4x0,31 мм. Дроссель L1 используется от фильтра вторичного напряжения блока питания компьютера. Сердечник - ферритовый, размерами 10x26x10 мм. Число витков - 15...25, провод 0,6...0,8 мм. Дроссель Т2 -двухобмоточный, типа 15-Е000-0148 или фильтр НР1-Р16 на ток 1,6 А (индуктивность - 2x6 мГн).

В качестве таймера DA1 можно использовать отечественную микросхему КР1006ВИ1 или импортные микросхемы-аналоги, основные параметры которых приведены в табл.1. Для замены силовых транзисторов VT2, VT3 подойдут типы, указанные в табл.2.

Элементы устройства размещены на двух печатных платах, чертежи которых представлены на рис.2 и 3.

Транзисторы VT2, VT3 необходимо установить на радиатор через прокладки и изолированные шпильки. Собранные печатные платы монтируются в подходящем корпусе на стойках, амперметр устанавливается в вырезанном отверстии, рядом приклеиваются светодиоды HL1, HL2 и закрепляются регулятор тока R1,выключатель SA1 и предохранители FU1, FU2.

Перед первым включением устройства вместо сетевого предохранителя подключается лампочка от холодильника (220 Вх15 Вт), а вместо нагрузки - автомобильная лампочка (12 Вх55 Вт). Слабый накал лампочки холодильника указывает на рабочее состояние схемы. Через несколько секунд работы после отключения от сети проверяется нагрев транзисторов. Если температура нормальная, резистором R14 при среднем положении движка R1 устанавливается выходное напряжение (под нагрузкой) 13,8 В. При повороте движка R1 яркость автомобильной лампочки должна изменяться.

При недостаточном охлаждении транзисторов и диодов выпрямителя на корпусе зарядного устройства дополнительно устанавливается вентилятор. Но лучше использовать корпус от устаревшего блока питания компьютера со штатным вентилятором.

Схема в корне отличается от устройства его предшественника – сварочного трансформатора. Основой конструкции прежних сварочных аппаратов был трансформатор понижающего типа, что делало их габаритными и тяжелыми. Современные сварочные инверторы благодаря использованию при их производстве передовых разработок – это легкие и компактные устройства, отличающиеся широкими функциональными возможностями.

Основным элементом электрической схемы любого сварочного инвертора является импульсный преобразователь, вырабатывающий ток высокой частоты. Именно благодаря этому использование инвертора дает возможность легко зажигать сварочную дугу и поддерживать ее в стабильном состоянии на всем протяжении сварки. Схема сварочного инвертора в зависимости от модели может иметь определенные особенности, но принцип его работы, который будет рассмотрен ниже, остается неизменным.

Какие виды инверторов представлены на современном рынке

Для определенного типа сварки следует правильно выбирать инверторное оборудование, каждый вид которого обладает специфической электрической схемой и, соответственно, особыми техническими характеристиками и функциональными возможностями.

Инверторы, которые выпускают современные производители, могут одинаково успешно использоваться как на производственных предприятиях, так и в быту. Разработчики постоянно совершенствуют принципиальные электрические схемы инверторных аппаратов, что позволяет наделять их новыми функциями и улучшать их технические характеристики.

Инверторные устройства в качестве основного оборудования широко используются для выполнения следующих технологических операций:

плавящимся и неплавящимся электродами;
сварки по полуавтоматической и автоматической технологиям;
плазменной резки и др.

Кроме того, инверторные аппараты являются наиболее эффективным типом оборудования, которое используется для сварки алюминия, нержавеющей стали и других сложносвариваемых металлов. Сварочные инверторы, вне зависимости от особенностей своей электрической схемы, позволяют получать качественные, надежные и аккуратные сварные швы, выполняемые по любой технологии. При этом, что важно, компактный и не слишком тяжелый инверторный аппарат при необходимости можно в любой момент легко перенести в то место, где будут выполняться сварочные работы.

Что включает в себя конструкция сварочного инвертора

Схема сварочного инвертора, которая определяет его технические характеристики и функциональность, включает в себя такие обязательные элементы, как:

блок, обеспечивающий электрическим питанием силовую часть устройства (он состоит из выпрямителя, емкостного фильтра и нелинейной зарядной цепи);
силовая часть, выполненная на базе однотактного конвертора (в данную часть электрической схемы также входят силовой трансформатор, вторичный выпрямитель и выходной дроссель);
блок питания элементов слаботочной части электрической схемы инверторного аппарата;
ШИМ-контроллер, который включает в себя трансформатор тока и датчик тока нагрузки;
блок, отвечающий за термозащиту и управление охлаждающими вентиляторами (в данный блок принципиальной схемы входят вентиляторы инвертора и температурные датчики);
органы управления и индикации.

Как работает сварочный инвертор

Формирование тока большой силы, при помощи которого создается электрическая дуга для расплавления кромок соединяемых деталей и присадочного материала, – это то, для чего предназначен любой сварочный аппарат. Для этих же целей необходим и инверторный аппарат, позволяющий формировать сварочный ток с большим диапазоном характеристик.

В наиболее простом изложении принцип выглядит так.

Переменный ток с частотой 50 Гц из обычной электрической сети поступает на выпрямитель, где происходит его преобразование в постоянный.
После выпрямителя постоянный ток сглаживается при помощи специального фильтра.
Из фильтра постоянный ток поступает непосредственно на инвертор, в задачу которого входит опять преобразовать его в переменный, но уже с более высокой частотой.
После этого при помощи трансформатора понижают напряжение переменного высокочастотного тока, что дает возможность увеличить его силу.

Для того чтобы понять, какое значение имеет каждый элемент принципиальной электрической схемы инверторного аппарата, стоит рассмотреть его работу подробнее.

Процессы, протекающие в электрической схеме сварочного инвертора

Схема позволяет увеличивать частоту тока со стандартных 50 Гц до 60–80 кГц. Благодаря тому, что на выходе такого устройства регулировке подвергается высокочастотный ток, для этого можно эффективно использовать компактные трансформаторы. Увеличение частоты тока происходит в той части электрической схемы инвертора, где расположен контур с мощными силовыми транзисторами. Как известно, на транзисторы подается только постоянный ток, для чего и необходим выпрямитель на входе аппарата.

Принципиальная схема заводского сварочного инвертора «Ресанта» (нажмите, чтобы увеличить)

Схема инвертора от немецкого производителя FUBAG с рядом дополнительных функций (нажмите, чтобы увеличить)

Пример принципиальной электрической схемы сварочного инвертора для самостоятельного изготовления (нажмите, чтобы увеличить)

Принципиальная электрическая схема инверторного устройства состоит из двух основных частей: силового участка и цепи управления. Первым элементом силового участка схемы является диодный мост. Задача такого моста как раз и состоит в том, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный.

В постоянном токе, преобразованном из переменного в диодном мосту, могут возникать импульсы, которые необходимо сглаживать. Для этого после диодного моста устанавливается фильтр, состоящий из конденсаторов преимущественно электролитического типа. Важно знать, что напряжение, которое выходит из диодного моста, примерно в 1,4 раза больше, чем его значение на входе. Диоды выпрямителя при преобразовании переменного тока в постоянный очень сильно нагреваются, что может серьезно сказаться на их работоспособности.

Чтобы защитить их, а также другие элементы выпрямителя от перегрева, в данной части электрической схемы используют радиаторы. Кроме того, на сам диодный мост устанавливается термопредохранитель, в задачу которого входит отключение электропитания в том случае, если диодный мост нагрелся до температуры, превышающей 80–90 градусов.

Высокочастотные помехи, создаваемые при работе инверторного устройства, могут через его вход попасть в электрическую сеть. Чтобы этого не произошло, перед выпрямительным блоком схемы устанавливается фильтр электромагнитной совместимости. Состоит такой фильтр из дросселя и нескольких конденсаторов.

Сам инвертор, который преобразует уже постоянный ток в переменный, но обладающий значительно более высокой частотой, собирается из транзисторов по схеме «косой мост». Частота переключения транзисторов, за счет которых и происходит формирование переменного тока, может составлять десятки или сотни килогерц. Полученный таким образом высокочастотный переменный ток имеет амплитуду прямоугольной формы.

Получить на выходе устройства ток достаточной силы для того, чтобы можно было с его помощью эффективно выполнять сварочные работы, позволяет понижающий напряжение трансформатор, установленный за инверторным блоком. Для того чтобы получить с помощью инверторного аппарата постоянный ток, после понижающего трансформатора подключают мощный выпрямитель, также собранный на диодном мосту.

Элементы защиты инвертора и управления им

Избежать влияния негативных факторов на работу инвертора позволяют несколько элементов в его принципиальной электрической схеме.

Для того чтобы транзисторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный, не сгорели в процессе своей работы, используются специальные демпфирующие (RC) цепи. Все блоки электрической схемы, которые работают под большой нагрузкой и сильно нагреваются, не только обеспечены принудительным охлаждением, но также подключены к термодатчикам, отключающим их питание в том случае, если температура их нагрева превысила критическое значение.

Из-за того, что конденсаторы фильтра после своей зарядки могут выдавать ток большой силы, который в состоянии сжечь транзисторы инвертора, аппарату необходимо обеспечить плавный пуск. Для этого используют стабилизаторные устройства.

В схеме любого инвертора имеется ШИМ-контроллер, который отвечает за управление всеми элементами его электрической схемы. От ШИМ-контроллера электрические сигналы поступают на полевой транзистор, а от него – на разделительный трансформатор, имеющий одновременно две выходные обмотки. ШИМ-контроллер посредством других элементов электрической схемы также подает управляющие сигналы на силовые диоды и силовые транзисторы инверторного блока. Для того чтобы контроллер мог эффективно управлять всеми элементами электрической схемы инвертора, на него также необходимо подавать электрические сигналы.

Для выработки таких сигналов используется операционный усилитель, на вход которого подается формируемый в инверторе выходной ток. При расхождении значений последнего с заданными параметрами операционный усилитель и формирует управляющий сигнал на контроллер. Кроме того, на операционный усилитель поступают сигналы от всех защитных контуров. Это необходимо для того, чтобы он смог отключить инвертор от электропитания в тот момент, когда в его электрической схеме возникнет критическая ситуация.

Достоинства и недостатки сварочных аппаратов инверторного типа

Аппараты, которые пришли на смену привычным всем трансформаторам, обладают рядом весомых преимуществ.

Благодаря совершенно иному подходу к формированию и регулированию сварочного тока масса таких устройств составляет всего 5–12 кг, в то время как сварочные трансформаторы весят 18–35 кг.
Инверторы обладают очень высоким КПД (порядка 90%). Это объясняется тем, что в них расходуется значительно меньше лишней энергии на нагрев составных частей. Сварочные трансформаторы, в отличие от инверторных устройств, очень сильно греются.
Инверторы благодаря такому высокому КПД потребляют в 2 раза меньше электрической энергии, чем обычные трансформаторы для сварки.
Высокая универсальность инверторных аппаратов объясняется возможностью регулировать с их помощью сварочный ток в широких пределах. Благодаря этому одно и то же устройство можно использовать для сварки деталей из разных металлов, а также для ее выполнения по разным технологиям.
Большинство современных моделей инверторов наделены опциями, которые минимизируют влияние ошибок сварщика на технологический процесс. К таким опциям, в частности, относятся «Антизалипание» и «Форсирование дуги» (быстрый розжиг).
Исключительная стабильность напряжения, подаваемого на сварочную дугу, обеспечивается за счет автоматических элементов электрической схемы инвертора. Автоматика в данном случае не только учитывает и сглаживает перепады входного напряжения, но и корректирует даже такие помехи, как затухание сварочной дуги из-за сильного ветра.
Сварка с использованием инверторного оборудования может выполняться электродами любого типа.
Некоторые модели современных сварочных инверторов имеют функцию программирования, что позволяет точно и оперативно настраивать их режимы при выполнении работ определенного типа.