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.

В основу устройства положен двухтактный полумостовой импульсный преобразователь (инвертор) на мощных транзисторах VT4 и VT5, управляемый широтно-импупьсным контроллером DA1 по низковольтной стороне. Такие преобразователи, устойчивые к повышению питающего напряжения и изменению сопротивления нагрузки, хорошо зарекомендовали себя в источниках питания современных компьютеров. Поскольку в ШИ-контроллере К1114ЕУ4 находятся два усилителя ошибки, для контроля зарядного тока и выходного напряжения не требуется дополнительных микросхем.

Быстродействующие диоды VD14, VD15 защищают коллекторный переход транзисторов VT4, VT5 от обратного напряжения на обмотке I трансформатора Т2 и отводят энергию выбросов обратно в источник питания. Диоды должны обладать минимальным временем включения.

Терморезистор R9 ограничивает ток зарядки конденсаторов С7, С8 при включении устройства в сеть.

Для подавления помех со стороны преобразователя служит сетевой фильтр С1, С2,С5,L1.

Цепи R19, R21, С12, VD9 и R20, R22, C13, VD10 служат для форсирования процесса закрывания коммутирующих транзисторов путем подачи в их базовую цепь минусового напряжения. Это позволяет снизить коммутационные потери и увеличить КПД преобразователя.

Конденсатор С9 предотвращает подмагничивание магнитопровода трансформатора Т2 из-за неодинаковой ёмкости конденсаторов С7 и С8.

Цепь R17, С11 способствует уменьшению амплитуды выбросов напряжения на обмотке I трансформатора Т2.

Трансформатор Т1 гальванически развязывает вторичные цепи от сети и передает управляющие импульсы в базовую цепь коммутирующих транзисторов. Обмотка III обеспечивает пропорционально токовое управление. Использование трансформаторной развязки позволило сделать эксплуатацию устройства безопасной.

Выпрямитель зарядного тока выполнен на диодах КД2997А (VD11, VD12), способных работать на сравнительно высокой рабочей частоте преобразователя.

Резистор R26 - выполняет роль датчик тока. Напряжение с этого резистора, поданное на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки контроллера DA1, сравнивается с напряжением на его инвертирующем входе, устанавливаемом резистором R1 "ТОК ЗАРЯДА". При изменении сигнала ошибки изменяется скважность управляющих импульсов, время открытого состояния коммутирующих транзисторов инвертора и, значит, передаваемая в нагрузку мощность.

Напряжение с делителя R23, R24, пропорциональное напряжению на заряжаемой батарее, поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки и сравнивается с напряжением на резисторе R4, приложенным к инвертирующему входу этого усилителя. Таким образом происходит регулирование выходного напряжения. Это позволяет избежать интенсивного кипения электролита в конце зарядки путем снижения зарядного тока.

ШИ - контроллер имеет встроенный источник стабильного напряжения 5 В, который питает все делители напряжения, задающие требуемые значения напряжения на выходе устройства и зарядного тока.

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного зарядного устройства.

Поскольку питание на микросхему DA1 поступает с выхода устройства, недопустимо снижение выходного напряжения устройства до 8 В - в этом случае прекращается стабилизация зарядного тока и он может превысить предельно допустимое значение. Подобные ситуации исключает узел, собранный на транзисторе VTЗ и стабилитроне VD13, - он блокирует включение зарядного устройства, если его нагрузить неисправной либо сильно разряженной батареей (с ЭДС менее 9 В). Стабилитрон, а значит, и транзистор узла остаются закрытыми, а вход DTC (вывод 4) микросхемы DA1 - подключенным через резистор R6 к выходу Uref встроенного источника образцового напряжения (вывод 14). Напряжение на входе DTC при этом - не менее 3 В, и формирование импульсов запрещено.

При подключении к выходу устройства исправной батареи открывается стабилитрон VD13 и вслед за ним транзистор VTЗ, замыкая на общий провод вход DTC контроллера и тем самым разрешая формирование импульсов на выводах 8 и 11 (выходы C1, С2 - открытый коллектор). Частота следования импульсов - около 60 кГц. После усиления по току транзисторами VT1, VT2 они через трансформатор Т1 передаются на базу коммутирующих транзисторов VT4 и VT5.

Частоту повторения импульсов определяют элементы R10 и С6. Её рассчитывают по формуле:

F=1,1/R10 * С6.

Настройка устройства

Для налаживания преобразователя потребуются ЛАТР, осциллограф, исправная аккумуляторная батарея и два измерителя - вольтметр и амперметр (до 20 А). Если в распоряжении радиолюбителя окажется развязывающий трансформатор 220 В х 220 В мощностью не менее 300 Вт, следует устройство включить через него - работать будет безопаснее.

Сначала через временный токоограничительный резистор сопротивлением 1 Ом мощностью не менее 75 Вт (или автомобильную лампу мощностью 40-60 Вт) подключают к выходу устройства батарею и убеждаются в наличии плюсового напряжения 5 В на выходе Uref (вывод 14) ШИ контроллера. Подключают осциллограф к выводам 8 и 11 (выходы С1 и С2) контроллера и наблюдают импульсы управления. Движок резистора R1 устанавливают в крайнее нижнее по схеме положение (минимальный зарядный ток) и подают от ЛАТРа на сетевой вход устройства напряжение 36 -48 В.

Транзисторы VT4 и VT5 не должны сильно нагреваться. Осциллографом контролируют напряжение между эмиттером и коллектором этих транзисторов. При наличии выбросов на фронте импульсов следует применить более быстродействующие диоды VD14, VD15 либо точнее подобрать элементы R17 и СП демпфирующей цепи.

Необходимо иметь в виду, что далеко не все осциллографы допускают измерения в цепях, гальванически связанных с сетью. Кроме этого, помните, что часть элементов устройства находится под сетевым напряжением - это небезопасно!

Если все в порядке, напряжение на сетевом входе плавно повышают ЛАТРом до 220 В и контролируют работу транзисторов VT4, VT5 по осциллографу. Выходной ток при этом не должен превышать 3 А. Вращая движок резистора R1, убеждаются в плавном изменении тока на выходе устройства.

Далее из выходной цепи удаляют временный токоограничительный резистор (или лампу) и подключают батарею непосредственно к выходу устройства. Подбирают резисторы R2, R5 так, чтобы пределы изменения зарядного тока регулятором R2 были равны 0,5 и 25 А. Устанавливают максимальное выходное напряжение равным 15 В подборкой резистора R4.

Ручку регулятора R2 снабжают шкалой, проградуированной в значениях зарядного тока. Можно оснастить устройство амперметром.

Коробка и все металлические нетоковедущие части зарядного устройства на время его работы должны бытъ надежно заземлены. Не рекомендуется оставлять работающее зарядное устройство на длительное время без присмотра.

Детали

Диоды КД257Б можно заменить на RL205, а КД2997А - на другие, в том числе на диоды Шатки с обратным напряжением более 50 В и выпрямленным током более 20 А, FR155 - на быстродействующие импульсные диоды FR205, FR305, а также UF4005.

Диоды VD11, VD12 также снабжают общим теплоотводом площадью поверхности не менее 200 см2.

ШИ-контроллер К1114ЕУ4 имеет множество зарубежных аналогов - TL494IN, DBL494, mPC494, IR2M02, КА7500.

Вместо КТ886А-1 подойдут транзисторы КТ858А, КТ858Б или КТ886Б-1.

Транзисторы VT4 и VT5 устанавливают на теплоотводы площадью не менее 100 см.

Использовать в качестве теплоотвода стенки коробки устройства, а также общий теплоотвод для диодов и транзисторов не следует из соображений безопасности эксплуатации зарядного устройства. Размеры теплоотводов можно существенно уменьшить, если принудительно охлаждать их вентилятором.

Трансформаторы самые ответственные и трудоемкие элементы любого импульсного преобразователя. От качества их изготовления зависят не только характеристики устройства, но и вообще его работоспособность.

Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20х12x6 из феррита М2000НМ.

Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,4 равномерно по всему кольцу и содержит 2x28 витков.

Обмотки II и IV - по 9 витков провода ПЭВ-2 0,5.

Обмотка III - два витка провода МГТФ-0,8. Обмотки изолированы одна от другой и от магнитопровода двумя слоями тонкой фторопластовой ленты.

Трансформатор Т2 намотан на броневом магнитопроводе Ш10х10 из феррита М2000НМ (или, еще лучше, М2500НМС), годится и кольцевой магнитопровод аналогичного сечения.

Обмотка I содержит 35 витков провода ПЭВ-2 0,8.

Обмотка II - 2x4 витка жгута сечением не менее 4 мм2 из нескольких проводов ПЭВ-2 или ПЭЛ. Если принудительно охлаждать трансформатор, сечение жгута можно уменьшить.

Следует отметить, что от качества межобмоточной изоляции трансформаторов зависит не только надежность устройства, но и безопасность его эксплуатации, поскольку именно она изолирует вторичные цепи от напряжения сети. Поэтому не следует выполнять ее из подручных материалов - оберточной бумаги, канцелярского скотча и т. д. - и уж тем более пренебрегать ей, как иногда делают малоопытные радиолюбители. Лучше всего применять тонкую фторопластовую ленту или конденсаторную бумагу из высоковольтных конденсаторов, укладывая её в 2 - 3 слоя.

Кто не сталкивался в своей практике с необходимостью зарядки батареи и, разочаровавшись в отсутствии зарядного устройства с необходимыми параметрами, вынужден был приобретать новое ЗУ в магазине, либо собирать вновь нужную схему?
Вот и мне неоднократно приходилось решать проблему зарядки различных аккумуляторных батарей, когда под рукой не оказывалось подходящего ЗУ. Приходилось на скорую руку собирать что-то простое, применительно к конкретному аккумулятору.

Ситуация была терпимой до того момента, пока не появилась необходимость в массовой подготовке и, соответственно, зарядке батарей. Понадобилось изготовить несколько универсальных ЗУ - недорогих, работающих в широком диапазоне входных и выходных напряжений и зарядных токов.

Предлагаемые ниже схемы ЗУ были разработаны для зарядки литий-ионных аккумуляторов, но существует возможность зарядки и других типов аккумуляторов и составных батарей (с применением однотипных элементов, далее - АБ).

Все представленные схемы имеют следующие основные параметры:
входное напряжение 15-24 В;
ток заряда (регулируемый) до 4 А;
выходное напряжение (регулируемое) 0,7 - 18 В (при Uвх=19В).

Все схемы были ориентированы на работу с блоками питания от ноутбуков либо на работу с другими БП с выходными напряжениями постоянного тока от 15 до 24 Вольт и построены на широко распространенных компонентах, которые присутствуют на платах старых компьютерных БП, БП прочих устройств, ноутбуков и пр.

Схема ЗУ № 1 (TL494)

ЗУ на схеме 1 является мощным генератором импульсов, работающим в диапазоне от десятков до пары тысяч герц (частота варьировалась при исследованиях), с регулируемой шириной импульсов.
Зарядка АБ производится импульсами тока, ограниченного обратной связью, образованной датчиком тока R10, включенным между общим проводом схемы и истоком ключа на полевом транзисторе VT2 (IRF3205), фильтром R9C2, выводом 1, являющимся «прямым» входом одного из усилителей ошибки микросхемы TL494.

На инверсный вход (вывод 2) этого же усилителя ошибки подается регулируемое посредством переменного резистора PR1, напряжение сравнения с встроенного в микросхему источника опорного напряжения (ИОН - вывод 14), меняющего разность потенциалов между входами усилителя ошибки.
Как только величина напряжения на R10 превысит значение напряжения (установленного переменным резистором PR1) на выводе 2 микросхемы TL494, зарядный импульс тока будет прерван и возобновлен вновь лишь при следующем такте импульсной последовательности, вырабатываемой генератором микросхемы.
Регулируя таким образом ширину импульсов на затворе транзистора VT2, управляем током зарядки АБ.

Транзистор VT1, включенный параллельно затвору мощного ключа, обеспечивает необходимую скорость разрядки затворной емкости последнего, предотвращая «плавное» запирание VT2. При этом амплитуда выходного напряжения при отсутствии АБ (или прочей нагрузки) практически равна входному напряжению питания.

При активной нагрузке выходное напряжение будет определяться током через нагрузку (её сопротивлением), что позволит использовать эту схему в качестве драйвера тока.

При заряде АБ напряжение на выходе ключа (а, значит, и на самой АБ) в течении времени будет стремиться в росте к величине, определяемой входным напряжением (теоретически) и этого, конечно, допустить нельзя, зная, что величина напряжения заряжаемого литиевого аккумулятора должна быть ограничена на уровне 4,1 В (4,2 В). Поэтому в ЗУ применена схема порогового устройства, представляющего из себя триггер Шмитта (здесь и далее - ТШ) на ОУ КР140УД608 (IC1) или на любом другом ОУ.

При достижении необходимого значения напряжения на АБ, при котором потенциалы на прямом и инверсном входах (выводы 3, 2 - соответственно) IC1 сравняются, на выходе ОУ появится высокий логический уровень (практически равный входному напряжению), заставив зажечься светодиод индикации окончания зарядки HL2 и светодиод оптрона VH1 который откроет собственный транзистор, блокирующий подачу импульсов на выход U1. Ключ на VT2 закроется, заряд АБ прекратится.

По окончании заряда АБ он начнет разряжаться через встроенный в VT2 обратный диод, который окажется прямовключенным по отношению к АБ и ток разряда составит приблизительно 15-25 мА с учетом разряда кроме того через элементы схемы ТШ. Если это обстоятельство кому-то покажется критичным, в разрыв между стоком и отрицательным выводом АБ следует поставить мощный диод (лучше с малым прямым падением напряжения).

Гистерезис ТШ в этом варианте ЗУ выбран таким, что заряд вновь начнется при понижении величины напряжения на АБ до 3,9 В.

Это ЗУ можно использовать и для заряда последовательно соединенных литиевых (и не только) АБ. Достаточно откалибровать с помощью переменного резистора PR3 необходимый порог срабатывания.
Так, например, ЗУ, собранный по схеме 1, функционирует с трехсекционной последовательной АБ от ноутбука, состоящей из сдвоенных элементов, которая была смонтирована взамен никель-кадмиевой АБ шуруповерта.
БП от ноутбука (19В/4,7А) подключен к ЗУ, собранному в штатном корпусе ЗУ шуруповерта взамен оригинальной схемы. Зарядный ток «новой» АБ составляет 2 А. При этом транзистор VT2, работая без радиатора нагревается до температуры 40-42 С в максимуме.
ЗУ отключается, естественно, при достижении напряжения на АБ=12,3В.

Гистерезис ТШ при изменении порога срабатывания остается прежним в ПРОЦЕНТНОМ отношении. Т.е., если при напряжении отключения 4,1 В, повторное включение ЗУ происходило при снижении напряжения 3,9 В, то в данном случае повторное включение ЗУ происходит при снижении напряжения на АБ до 11,7 В. Но при необходимости глубину гистерезиса можно изменить.

Калибровка порога и гистерезиса зарядного устройства

Калибровка происходит при использовании внешнего регулятора напряжения (лабораторного БП).
Выставляется верхний порог срабатывания ТШ.
1. Отсоединяем верхний вывод PR3 от схемы ЗУ.
2. Подключаем «минус» лабораторного БП (далее везде ЛБП) к минусовой клемме для АБ (самой АБ в схеме во время настройки быть не должно), «плюс» ЛБП - к плюсовой клемме для АБ.
3. Включаем ЗУ и ЛБП и выставляем необходимое напряжение (12,3 В, например).
4. Если горит индикация окончания заряда, вращаем движок PR3 вниз (по схеме) до гашения индикации (HL2).
5. Медленно вращаем движок PR3 вверх (по схеме) до зажигания индикации.
6. Медленно снижаем уровень напряжения на выходе ЛБП и отслеживаем значение, при котором индикация вновь погаснет.
7. Проверяем уровень срабатывания верхнего порога еще раз. Хорошо. Можно настроить гистерезис, если не устроил уровень напряжения, включающий ЗУ.
8. Если гистерезис слишком глубок (включение ЗУ происходит при слишком низком уровне напряжения - ниже, например, уровня разряда АБ, выкручиваем движок PR4 влево (по схеме) или наоборот, - при недостаточной глубине гистерезиса, - вправо (по схеме). При изменении глубины гистерезиса уровень порога может сместиться на пару десятых долей вольта.
9. Сделайте контрольный прогон, поднимая и опуская уровень напряжения на выходе ЛБП.

Настройка токового режима еще проще.
1. Отключаем пороговое устройство любыми доступными (но безопасными) способами: например, «посадив» движок PR3 на общий провод устройства или «закорачивая» светодиод оптрона.
2. Вместо АБ подключаем к выходу ЗУ нагрузку в виде 12-вольтовой лампочки (например, я использовал для настройки пару 12V ламп на 20 Вт).
3. Амперметр включаем в разрыв любого из проводов питания на входе ЗУ.
4. Устанавливаем на минимум движок PR1 (максимально влево по схеме).
5. Включаем ЗУ. Плавно вращаем ручку регулировки PR1 в сторону роста тока до получения необходимого значения.
Можете попробовать поменять сопротивление нагрузки в сторону меньших значений ее сопротивления, присоединив параллельно, скажем, ещё одну такую же лампу или даже «закоротить» выход ЗУ. Ток при этом не должен измениться значительно.

В процессе испытаний устройства выяснилось, что частоты в диапазоне 100-700 Гц оказались оптимальными для этой схемы при условии использования IRF3205, IRF3710 (минимальный нагрев). Так как TL494 используется неполно в этой схеме, свободный усилитель ошибки микросхемы можно использовать, например, для работы с датчиком температуры.

Следует иметь в виду и то, что при неправильной компоновке даже правильно собранное импульсное устройство будет работать некорректно. Поэтому не следует пренебрегать опытом сборки силовых импульсных устройств, описанном в литературе неоднократно, а именно: все одноименные «силовые» соединения следует располагать на кратчайшем расстоянии относительно друг друга (в идеале - в одной точке). Так, например, точки соединения такие, как коллектор VT1, выводы резисторов R6, R10 (точки соединения с общим проводом схемы), вывод 7 U1 - следует объединить практически в одной точке либо посредством прямого короткого и широкого проводника (шины). То же касается и стока VT2, вывод которого следует «повесить» непосредственно на клемму "-" АБ. Выводы IC1 также должны находиться в непосредственной «электрической» близости к клеммам АБ.

Схема ЗУ № 2 (TL494)

Схема 2 не сильно отличается от схемы 1, но если предыдущая версия ЗУ была придумана для работы с АБ шуруповерта, то ЗУ на схеме 2 задумывалось, как универсальное, малогабаритное (без лишних элементов настройки), рассчитанное для работы как с составными, последовательно включенными элементами числом до 3-х, так и с одиночными.

Как видно, для быстрой смены токового режима и работы с разным количеством последовательно соединенных элементов, введены фиксированные настройки с подстроечными резисторами PR1-PR3 (установка тока), PR5-PR7 (установка порога окончания зарядки для разного количества элементов) и переключателей SA1 (выбор тока зарядки) и SA2 (выбор количества заряжаемых элементов АБ).
Переключатели имеют по два направления, где вторые их секции переключают светодиоды индикации выбора режима.

Ещё одно отличие от предыдущего устройства - использование второго усилителя ошибки TL494 в качестве порогового элемента (включенного по схеме ТШ), определяющего окончание зарядки АБ.

Ну, и, конечно, в качестве ключа использован транзистор р-проводимости, что упростило полное использование TL494 без применения дополнительных компонентов.

Методика настройки порогов окончания зарядки и токовых режимов такая же , как и для настройки предыдущей версии ЗУ. Разумеется, для разного количества элементов, порог срабатывания будет меняться кратно.

При испытании этой схемы был замечен более сильный нагрев ключа на транзисторе VT2 (при макетировании использую транзисторы без радиатора). По этой причине следует использовать другой транзистор (которого у меня просто не оказалось) соответствующей проводимости, но с лучшими токовыми параметрами и меньшим сопротивлением открытого канала, либо удвоить количество указанных в схеме транзисторов, включив их параллельно с раздельными затворными резисторами.

Использование указанных транзисторов (в «одиночном» варианте) не критично в большинстве случаев, но в данном случае размещение компонентов устройства планируется в малогабаритном корпусе с использованием радиаторов малого размера или вовсе без радиаторов.

Схема ЗУ № 3 (TL494)

В ЗУ на схеме 3 добавлено автоматическое отключение АБ от ЗУ с переключением на нагрузку. Это удобно для проверки и исследования неизвестных АБ. Гистерезис ТШ для работы с разрядом АБ следует увеличить до нижнего порога (на включение ЗУ), равного полному разряду АБ (2,8-3,0 В).

Схема ЗУ № 3а (TL494)

Схема 3а - как вариант схемы 3.

Схема ЗУ № 4 (TL494)

ЗУ на схеме 4 не сложнее предыдущих устройств, но отличие от предыдущих схем в том, что АБ здесь заряжается постоянным током, а само ЗУ является стабилизированным регулятором тока и напряжения и может быть использовано в качестве модуля лабораторного источника питания, классически построенного по «даташитовским» канонам.

Такой модуль всегда пригодится для стендовых испытаний как АБ, так и прочих устройств. Имеет смысл использование встроенных приборов (вольтметр, амперметр). Формулы расчета накопительных и помеховых дросселей описаны в литературе. Скажу лишь, что использовал готовые различные дроссели (с диапазоном указанных индуктивностей) при испытаниях, экспериментируя с частотой ШИМ от 20 до 90 кГц. Особой разницы в работе регулятора (в диапазоне выходных напряжений 2-18 В и токов 0-4 А) не заметил: незначительные изменения в нагреве ключа (без радиатора) меня вполне устраивали. КПД, однако, выше при использовании меньших индуктивностей.
Лучше всего регулятор работал с двумя последовательно соединенными дросселями 22 мкГн в квадратных броневых сердечниках от преобразователей, интегрированных в материнские платы ноутбуков.

Схема ЗУ № 5 (MC34063)

На схеме 5 вариант ШИ-регулятора с регулировкой тока и напряжения выполнена на микросхеме ШИМ/ЧИМ MC34063 с «довеском» на ОУ CA3130 (возможно использование прочих ОУ), с помощью которого осуществляется регулировка и стабилизация тока.
Такая модификация несколько расширила возможности MC34063 в отличии от классического включения микросхемы позволив реализовать функцию плавной регулировки тока.

Схема ЗУ № 6 (UC3843)

На схеме 6 - вариант ШИ-регулятора выполнен на микросхеме UC3843 (U1), ОУ CA3130 (IC1), оптроне LTV817. Регулировка тока в этом варианте ЗУ осуществляется с помощью переменного резистора PR1 по входу токового усилителя микросхемы U1, выходное напряжение регулируется с помощью PR2 по инвертирующему входу IC1.
На «прямом» входе ОУ присутствует «обратное» опорное напряжение. Т.е., регулирование производится относительно "+" питания.

В схемах 5 и 6, при экспериментах использовались те же наборы компонентов (включая дроссели). По результатам испытаний все перечисленные схемы мало в чем уступают друг другу в заявленном диапазоне параметров (частота/ток/напряжение). Поэтому схема с меньшим количеством компонентов предпочтительнее для повторения.

Схема ЗУ № 7 (TL494)

ЗУ на схеме 7 задумывалось, как стендовое устройство с максимальной функциональностью, потому и по объему схемы и по количеству регулировок ограничений не было. Данный вариант ЗУ так же выполнен на базе ШИ-регулятора тока и напряжения, как и вариант на схеме 4.
В схему введены дополнительно режимы.
1. «Калибровка - заряд» - для предварительной установки порогов напряжения окончания и повтора зарядки от дополнительного аналогового регулятора.
2. «Сброс» - для сброса ЗУ в режим заряда.
3. «Ток - буфер» - для перевода регулятора в токовый или буферный (ограничение выходного напряжения регулятора в совместном питании устройства напряжением АБ и регулятора) режим заряда.

Применено реле для коммутации батареи из режима «заряд» в режим «нагрузка».

Работа с ЗУ аналогична работе с предыдущими устройствами. Калибровка осуществляется переводом тумблера в режим «калибровка». При этом контакт тумблера S1 подключает пороговое устройство и вольтметр к выходу интегрального регулятора IC2. Выставив необходимое напряжение для предстоящей зарядки конкретной АБ на выходе IC2, с помощью PR3 (плавно вращая) добиваются зажигания светодиода HL2 и, соответственно, срабатывания реле К1. Уменьшая напряжение на выходе IC2, добиваются гашения HL2. В обоих случаях контроль осуществляется встроенным вольтметром. После установки параметров срабатывания ПУ, тумблер переводится в режим заряда.

Схема № 8

Применения калибровочного источника напряжения можно избежать, используя для калибровки собственно ЗУ. В этом случае следует отвязать выход ТШ от ШИ-регулятора, предотвратив его выключение при окончании заряда АБ, определяемым параметрами ТШ. АБ так или иначе будет отключена от ЗУ контактами реле К1. Изменения для этого случая показаны на схеме 8.

В режиме калибровки тумблер S1 отключает реле от плюса источника питания для предотвращения неуместных срабатываний. При этом работает индикация срабатывания ТШ.
Тумблер S2 осуществляет (при необходимости) принудительное включение реле К1 (только при отключенном режиме калибровки). Контакт К1.2 необходим для смены полярности амперметра при переключении батареи на нагрузку.
Таким образом однополярный амперметр будет контролировать и ток нагрузки. При наличии двухполярного прибора, этот контакт можно исключить.

Конструкция зарядного устройства

В конструкциях желательно в качестве переменных и подстроечных резисторов использование многооборотных потенциометров во избежании мучений при установке необходимых параметров.

Варианты конструктива приведены на фото. Схемы распаивались на перфорированных макетных платах экспромтом. Вся начинка смонтирована в корпусах от ноутбучных БП.
В конструкциях использовались (они же использовались и в качестве амперметров после небольшой доработки).
На корпусах смонтированы гнезда для внешнего подключения АБ, нагрузки, джек для подключения внешнего БП (от ноутбука).

Сконструировал несколько, различных по функционалу и элементной базе, цифровых измерителей длительности импульсов.

Более 30-ти рацпредложений по модернизации узлов различного профильного оборудования, в т.ч. - электропитающего. С давних пор все больше занимаюсь силовой автоматикой и электроникой.

Почему я здесь? Да потому, что здесь все - такие же, как я. Здесь много для меня интересного, поскольку я не силен в аудио-технике, а хотелось бы иметь больший опыт именно в этом направлении.

Читательское голосование

Статью одобрили 77 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.

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 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.