Инвертор 12(24)V/~220V 500W с модифицированной синусоидой

Инвертор предназначен для органи­зации резервного питания от автомобиль­ной бортовой сети или альтернативного источника постоянного тока вроде солнеч­ной батареи (при условии наличия проме­жуточного аккумулятора и зарядно-питающего устройства, обеспечивающего стабильное напряжение зарядки данного аккумулятора).

Основными отличиями данной схемы инвертора от многих вариантов, предло­женных в различных радиолюбительских изданиях являются:

1. Использование готового низкочастот­ного силового трансформатора с одной низковольтной обмоткой и без отводов от её середины. Что наиболее выгодно с точки зрения выбора готового трансфор­матора.
2. Ступенчатое импульсное напряжение, поступающее на низковольтную обмотку трансформатора создает на высоко­вольтной обмотке напряжение наиболее близкое по форме к синусоиде.
   

   Рис. 1

Принципиальная схема показана на рисунке 1. На рисунке 2 приводится график формирования выходного напря­жения. На низковольтную обмотку трансформатора поступает ступенчатое напряжение, форма которого видна на рисунке 2. Это напряжение возбуждает обмотку трансформатора и на индуктив­ности его высоковольтной обмотки происходит интеграция данного ступен­чатого напряжения, в напряжение по форме наиболее близкое к синусоидаль­ному.

Для того чтобы в инверторе можно было использовать трансформатор с одной низковольтной обмоткой, его выходной каскад выполнен по мостовой двухтактной схеме. Это позволяет отказаться от отвода в низковольтной обмотке, но ведет к двухкратному увеличению числа выход­ных транзисторов.

Выходной каскад состоит из двух двухтакных выходных каскадов на разнострук­турных мощных ключевых полевых тран­зисторах с низким сопротивлением открытого канала. Для увеличения мощности каждое плечо составлено из двух полевых транзисторах, включенных параллельно. Можно еще более увеличить мощность, используя большее число включенных параллельно полевых транзисторов.

Мощные ключевые МДП-транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала, статически, обладают бесконеч­ным сопротивлением затвора, поскольку затвор у них изолированный, но динами­чески играет большую роль емкость затвора, на зарядку которой в процессе переключения транзистора может возникать существенный импульс тока, способный повредить выходы логических микросхем, при непосредственном управ­лении. Поэтому для управления полевыми транзисторами используются промежуточные ключи на биполярных транзисторах VT1-VT3 и VT12-VT14.

Транзистор VT1 управляет транзистора­ми VT4 и VT5. Это P-канальные полевые транзисторы, поэтому для их открывания требуется подача на затвор напряжения, отрицательного относительно истока. Между затвором и истоком включен резис­тор R3, уменьшающий сопротивление цепи затвора и обеспечивающий разрядку емкости затвора. Транзистор VT1 при открывании подает на затвор отрицатель­ное напряжение (относительно плюса питания). Так образом, при подаче напря­жения высокого логического уровня через R2 на базу транзистора VT1 происходит открывание транзисторов VT4 и VT5.

Транзисторы VT6 и VT7 — N-канальные, поэтому для их открывания требуется подача на затвор положительного, относи­тельно общего минуса, напряжения. При этом, открывать их надо так же, — логичес­кой единицей. Поэтому на транзисторах VT2 и VT3 сделан каскад, управляющий транзисторами VT6 и VT7, но не инверти­рующий сигнал управления. Таким образом, при подаче напряжения высокого логи­ческого уровня через R4 на базу тран­зистора VT2 происходит открывание транзисторов VT6 и VT7.

Аналогичным образом происходит управ­ление и полевыми транзисторами VT8- VT11 второго плеча мостового выходного каскада. Транзистор VT12 при открывании подает на затворы VT8 и VT9 отрица­тельное напряжение (относительно плюса питания). Так образом, при подаче напря­жения высокого логического уровня через R7 на базу транзистора VT12 происходит открывание транзисторов VT8 и VT9.

На транзисторах VT13 и VT14 сделан каскад, управляющий транзисторами VT10 и VT11, но не инвертирующий сигнал управления. Таким образом, при подаче напряжения высокого логического уровня через R9 на базу транзистора VT14 происходит открывание транзисторов VT10 и VT11.

Генератор управляющих импульсов выполнен на цифровых микросхемах D1 и D2. Элементы D1.1 и D1.2 микросхемы D1 образуют мультивибратор, генерирующий импульсы частотой 200 Гц (частота в четыре раза выше частоты выходного переменного напряжения, снимаемого с высоковольтной вторичной обмотки трансформатора Т1). Частота устанав­ливается с помощью конденсатора С1 и резистора R1.

Импульсы 200 Гц с выхода D1.2 посту­пают на счетный вход счетчика D2 на микросхеме С4017. Это десятичный счетчик, состояния выходов которого изменяются последовательно согласно числу входных импульсов. Счет счетчика ограничен соединением выводов 15 и 10. При поступлении на его вход 4-го импульса единица с вывода 10 поступает на вывод 15 и сбрасывает счетчик в нуле­вое положение.

И так, с приходом первого (после сброса) импульса на вход счетчика D2, на его выходе «1» (вывод 2) появляется логичес­кая единица. Она поступает на базы тран­зисторов VT1 и VT14. В результате откры­ваются транзисторы VT4-VT5 и VT10-VT11. Левый, по схеме, конец низковольт­ной обмотки трансформатора Т1 соеди­няется с плюсом питающего напряжения, а правый (по схеме) — с минусом.

Затем на вход D2 приходит второй импульс и на его выходе «2» устанавли­вается единица. При этом на всех осталь­ных выходах — ноль. Соответственно все транзисторы закрыты, на обмотке трансформатора нуль напряжения.

С приходом третьего импульса появляется логическая единица на выводе 7 D2. Это приводит к открыванию транзисторов VT6-VT9. Теперь правый (по схеме) конец низковольтной обмотки трансформатора Т1 подключен к плюсу питания, а левый (по схеме) к минусу.

С четвертым импульсом счетчик возвра­щается в нулевое положение и все транзисторы закрыты. На обмотке транс­форматора нуль напряжения.

Далее, все повторяется.

Фактическая выходная мощность, конечно же, в основном зависит от мощ­ности используемого трансформатора. Это должен быть силовой трансформатор на 50 Гц, причем его низковольтная обмотка на 12V (или 24V) должна быть основной, той самой на которой и выда­ется вся выходная мощность трансфор­матора.

Фактически, при указанных на схеме транзисторах мощность может быть до 700W. Полевые транзисторы должны быть на радиаторах, обеспечивающих эффек­тивный теплоотвод.

Мощность можно существенно увели­чить, пропорционально увеличив коли­чество параллельно включенных полевых транзисторов. Здесь, практически нет ограничений, разумеется и трансформа­тор потребуется соответствующий.

Если мощность не планируется более 200W можно выходной каскад сделать на одиночных транзисторах.

Если синусоидальность выходного напряжения не имеет существенного значения можно сделать инвертор по упрощенной схеме. На рисунке 3 показана схема инвертора мощностью 150W с выходным напряжением, по форме менее похожим на синусоиду. Тем не менее, такой инвертор можно использовать для питания многих электроприборов и даже электронных приборов с импульсными источниками питания.

Упрощение коснулось формирователя импульсов, — теперь это обычный муль­тивибратор, генерирующий противофаз­ные импульсы частотой 50 Гц на выходах D1.3 и D1.4. На одном такте единица на выходе D1.3 и ноль на выходе D1.4. Соот­ветственно, открываются транзисторы VT3 и VT7. На другом такте единица на выходе D1.4 и ноль на выходе D1.3. Открываются транзисторы VT5 и VT8.

Проще стал и выходной каскад, — теперь меньше биполярных транзисторов. Поле­вых то же меньше, но при желании повысить мощность их можно включить параллельно по два или три.

Автор: Снегирев И.