DC/AC преобразователь с синусоидальным выходным напряжением

Большинство известных преобразователей постоянного напряжения в переменное имеют выходной сигнал прямоугольной формы. Однако крутые фронты прямоугольных импульсов созда­ют сильные помехи. Двигатели переменного тока при питании их прямоугольным напряжением сильно шумят, нагреваются и имеют низкий КПД. Эти проблемы устраняются, если питать нагрузку синусоидальным напряжением.

Известны компьютерные источники беспере­бойного питания с микропроцессорным управле­нием, имеющие «синусоиду» на выходе. Широко­го распространения они не получили из-за боль­шой стоимости (в разы большие, чем обычные преобразователи напряжения). Но многие потре­бители (и я в том числе) не имеют возможности использовать такую дорогую технику.

Для получения «синусоиды» на выходе преоб­разователя обычно используют широтно-им­пульсную модуляцию. Мне хотелось получить «синусоиду» на выходе преобразователя напря­жения без использования микропроцессора и программатора, т.е. наиболее простым аппарат­ным способом. Однако проблема заключается в том, что параметры широтно-импульсной модуляции необходимо изменять в каждом полупериоде синусоидального напряжения.

Von Figur 1 показана принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения постоянного напряжения в переменное, с синусоидальным выходом на базе обычных цифровых микросхем. Схема разработана таким образом, чтобы устройство мог повторить практически любой радиолюбитель.

Преобразователь выполнен по схеме полного моста, выполненного на четырех транзисторах VT1-VT4. Синусоидальный выходной сигнал формируется методом широтно-импульсной модуляции. Управляется мост двумя высокочастотными драйверами типа IR2110, способными перезаряжать затворы полевых транзисторов током до 2 А. Напряжение питания этих драйверов должно находиться в пределах 10…15 В. При снижении напряжения ниже 10 В драйвер отказывается работать, так как он имеет встроенную схему контроля питающего напряжения. Повышение напряжения выше 15 В приводит к выходу из строя драйверов или затворов полевых транзисторов.

Рис. 1

Максимальное напряжение между затвором и истоком указанных на схеме транзисторов составляет 20 В.

Задающий генератор преобразователя вы­полнен на микросхеме DA1. Частота его колеба­ний определяется величиной резистора R1, а скважность импульсов равная 2 достигается ус­тановкой движка резистора R1 в нужное положе­ние. Выходной сигнал с задающего генератора поступает на две последовательно соединенные интегрирующие цепочки R5C3 и R6C2, а также на одновибратор, выполненный на D-триггере мик­росхемы DD1.1. Выходной сигнал интегрирую­щей цепочки представляет собой приближенную синусоиду с периодом в 10 мс. Выходной сигнал одновибратора – прямоугольный импульс дли­тельностью 0,5 мс и периодом в 10 мс. Длитель­ность импульса можно регулировать, изменяя величину резистора R7.

На D-триггере микросхемы DD1.2 построен делитель частоты на 2, т.е. период его выходного сигнала равен 20 мс (частота 50 Гц). Из прямых и инверсных выходных сигналов триггера DD1.2 и выходного сигнала одновибратора DD1.1 логиче­ские элементы DD3.1 и DD3.2 формируют сигна­лы управления силовыми ключами моста.

Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD3, содержащей два инвертора b полевые (р-канальные и n-канальные) транзисто­ры. Западный аналог этой микросхемы – CD4007. Выходное сопротивление транзисторов этой ИМС почти линейно зависит от входного на­пряжения. На инверторах DD3.1 и DD3.3 выпол­нен мультивибратор по стандартной схеме. По­левые транзисторы включены через диоды VD3-VD4 параллельно резистору R8. При высо­ком уровне на выходе генератора диод VD4 будет проводить, т.е. выходное сопротивление p-канала транзистора будет включено параллельно с резистором R8. Подобным образом выходное сопротивление n-канала транзистора включается параллельно резистору R8 при низком уровне на выходе генератора.

Широтно-импульсный модулятор реализуется изменением скважности импульсов генератора в соответствии с входным напряжением, посту­пающим с интегрирующей цепочки R5С3, R6С2. Само изменение частоты колебаний ми­нимально зависит от скважности, так как вы­ходное сопротивление одного транзистора возрастает, а другого всегда уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R8 сопротивления остается постоянным.

Частота колебаний генератора соответст­вует 2 кГц. Увеличение управляющего напря­жения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импуль­сов. Уменьшение управляющего напряжения к уменьшению длительности импульсов выход­ного сигнала. Частота колебаний остается неизменной.

Fig. 2

Von рис. 2 показаны временные диаграммы сигналов в определенных точках преобразова­теля:

• выходной сигнал задающего генератора;
• выходной сигнал одновибратора;
• выходной сигнал делителя на 2 (DD2) вывод 13;
• инверсный выходной сигнал делителя на 2 (DD2) вывод 12;
• результат сложения прямого сигнала де­лителя на 2 и выходного сигнала однови­братора;
• результат сложения инверсного сигнала делителя на 2 и выходного сигнала одно­вибратора;
• выходной сигнал логического элемента DD1 без высокочастотного заполнения с широтно-импульсного модулятора;
• с высокочастотным заполнением;
• выходной сигнал логического элемента DD2 без высокочастотного заполнения с широтно-импульсного модулятора;
• с высокочастотным заполнением;
• сигнал на первичной обмотке трансформа­тора ТV

От длительности импульса одновибратора (диаграмма 2 на рис.2) зависит величина вре­менной паузы между включением ключей. Это необходимо для того, чтобы силовые ключи не оказались открытыми одновременно.

Диоды VD7-VD10 устанавливаются в том случае, когда силовые транзисторы не имеют внутреннего диода.

Мощность преобразователя зависит от типа примененных полевых транзисторов. Полевые транзисторы, а также транзисторы IGBT можно ставить параллельно для увеличения мощности преобразователя. Если требуется преобразователь напряжения на другую частоту, например на 400 Гц, то необходимо изменить частоту задаю­щего генератора и довести ее до 800 Гц, путем уменьшения сопротивления резистора R1. Кроме этого необходимо уменьшить сопротивление резистора R6, чтобы уменьшить величину временной паузы между импульсами. Частота широтно-импульсного модулятора также должна быть увеличена до 5 кГц, путем уменьшения емкости конденсатора С4 до 470 пФ.

Трансформатор TV1 должен быть выбран на соответствую­щую рабочую частоту преобразо­вателя.

Дроссель L1 служит для устра­нения влияния работы силовых ключей на питающее напряжение платы управления. Диод VD11 препятствует разряду конденса­тора С6 на источник питания пре­образователя в момент включения силовых клю­чей. Драйверы DА2 и DА3 имеют вход SD, при по­даче на который сигнала высокого уровня они за­пираются, и преобразователь не работает. Это можно использовать для защиты преобразовате­ля от перегрузки.

Печатная плата преобразователя имеет раз­меры 105×51 мм. Ее чертеж, расположение эле­ментов и перемычек на ней приведен на Figur 3.

Fig. 3,ru

Fachliteratur

1. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме // Электроника. – 1977. – №13. – С.55.

Autor: Wjatscheslaw Kalashnik, Voronezh
Источник: Радиоаматор №6/2016