РАЗРАБОТКА  И  ИЗГОТОВЛЕНИЕ  МАЛОГАБАРИТНОГО  ИМПУЛЬСНОГО  DC-DC  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ  12/220  В

Мамонов  Алексей  Андреевич

студент  4  курса,  Саранский  электромеханический  колледж  г.  Саранск

E-mail:  svieshkina@yandex.ru

Свиёшкина  Галина  Михайловна

научный  руководитель,  преподаватель  СЭМК,  г.  Саранск

Щучкина  Елена  Александровна

научный  руководитель,  преподаватель  СЭМК,  г.  Саранск

В  настоящее  время  на  рынке  электронной  аппаратуры  предлагается  большой  выбор  преобразователей.  Они  нашли  широкое  применение  в  различных  отраслях  промышленности  и  в  быту.  Преобразователи  напряжения  различаются  своими  функциональными  возможностями,  формой  выходного  напряжения,  мощностью  на  выходе  и  соответственно  ценой.

В  данной  работе  предлагается  и  обсуждается  принципиальная  схема  и  конструкторское  исполнение  повышающего  DC-DC  преобразователя  12/220  В.  Основными  критериями  при  разработке  преобразователя  являлись  малые  габариты  при  высокой  удельной  мощности,  простота  технического  решения,  надежность  и  низкая  цена.

Целью  исследования  является  разработка  и  изготовление  малогабаритного  источника  постоянного  напряжения  220  В  с  питанием  от  аккумуляторной  батареи  12  В.

Задачами  исследования  являются:

·Изучить  и  проанализировать  существующие  типы  преобразователей  электрической  энергии.

·Разработать  оптимальную  электрическую  схему  и  конструкцию  преобразователя  напряжения  на  12/220  В.

·Изготовить  преобразователь  по  разработанной  схеме.

·Провести  испытание  преобразователя,  измерить  входные  и  выходные  характеристики  и  сделать  выводы  о  его  работоспособности.

Практическая  значимость  работы.  Разработанный  преобразователь  напряжения  является  простым  и  недорогим  источником  автономного  питания  для  автономного,  яркого  и  экономичного  освещения  дома,  гаража,  дачи  при  недоступности  централизованного  электроснабжения. 

Актуальность  тематики.  Устройство  актуально  для  владельцев  неэлектрофицированных  садовых  домиков,  гаражей,  где  единственным  источником  электроэнергии  может  быть  аккумуляторная  батарея  автомобиля.

Преобразователь  электрической  энергии  —  это  электротехническое  устройство,  предназначенное  для  преобразования  параметров  электрической  энергии  (напряжения,  частоты,  числа  фаз,  формы  сигнала)  [1,  с.  3].  Для  реализации  преобразователей  широко  используются  полупроводниковые  приборы,  так  как  они  обеспечивают  высокий  КПД  —  важный  параметр  электротехнических  устройств.

Для  преобразования  напряжения  одного  уровня  в  напряжение  другого  уровня  часто  применяют  импульсные  преобразователи  напряжения  с  использованием  индуктивных  накопителей  энергии.  Такие  преобразователи  отличаются  высоким  КПД,  иногда  достигающим  95  %,  и  обладают  возможностью  получения  повышенного,  пониженного  или  инвертированного  выходного  напряжения.

В  соответствии  с  этим  известно  три  типа  схем  преобразователей:  понижающие,  повышающие  и  инвертирующие.  Общими  для  всех  этих  видов  преобразователей  являются  пять  элементов:  источник  питания,  ключевой  коммутирующий  элемент,  индуктивный  накопитель  энергии  (катушка  индуктивности,  дроссель),  блокировочный  диод  и  конденсатор  фильтра,  включенный  параллельно  сопротивлению  нагрузки.  Включение  этих  пяти  элементов  в  различных  сочетаниях  позволяет  реализовать  любой  из  трех  типов  импульсных  преобразователей.

Регулирование  уровня  выходного  напряжения  преобразователя  осуществляется  изменением  ширины  импульсов,  управляющих  работой  ключевого  коммутирующего  элемента  и,  соответственно,  запасаемой  в  индуктивном  накопителе  энергии.  Стабилизация  выходного  напряжения  реализуется  путем  использования  обратной  связи:  при  изменении  выходного  напряжения  происходит  автоматическое  изменение  ширины  импульсов  [2,  с.  261].

Принцип  действия  предлагаемого  преобразователя  заключается  в  следующем:  постоянный  ток  от  аккумуляторной  батареи  напряжением  12  В  преобразуется  инвертором  в  переменный  ток  того  же  напряжения,  которое  повышается  трансформатором  до  220  В  и  далее  выпрямляется  выпрямителем.  Общий  вид  структуры  реализованного  преобразователя  показан  на  рис.  1.

Рисунок  1.  Структурная  схема  преобразователя  напряжения  12/220  В

Принципиальная  схема  преобразователя  показана  на  рис.  2.  Преобразователь  построен  по  двухтактной  схеме.  Основой  преобразователя  является  широко  известная  микросхема  ШИМ  контроллера  TL494.  Данная  микросхема  имеет  встроенный  задающий  генератор,  частота  которого  устанавливается  внешней  R3C1  цепочкой  [2,  с.  263].  Рабочая  частота  задается  следующим  образом:  уменьшаем  сопротивление  R3  —  увеличиваем  частоту.  Увеличиваем  емкость  C1  —  уменьшаем  частоту  и  наоборот.  В  данной  схеме  частота  получается  порядка  100  КГц.  Такая  высокая  частота  преобразования  обусловлена  необходимостью  минимизации  габаритов  преобразовательного  трансформатора.

В  схеме  используются  мощные  полевые  транзисторы  IRFZ46N,  которые  характеризуются  меньшим  временем  срабатывания  и  более  простыми  схемами  управления.  Вместо  них  можно  использовать  IRFZ44N  или  IRFZ48N. 

Рисунок  2.  Принципиальная  схема  преобразователя  напряжения  12/220  В

Повышающий  трансформатор  в  данном  преобразователе  используется  из  блока  питания  компьютера  с  измененным  количеством  витков.  Соотношение  витков  в  трансформаторе  1:1:20  ,  где  1:1  —  две  половинки  первичной  обмотки  (10+10  витков),  а  20  —  соответственно,  вторичная  обмотка  (200  витков).  Для  первичной  обмотки  используется  провод  диаметром  0,5  мм,  для  вторичной  обмотки  —  0,3  мм.  Выходное  напряжение  преобразователя  снимается  с  вторичной  обмотки  трансформатора  и  выпрямляется  по  мостовой  схеме,  выполненной  из  быстродействующих  диодов  КД213.  Защиту  схемы  от  перегрузки  и  от  неправильного  подключения  питания  (полярности  «+»  и  «-»)  можно  реализовать  через  предохранитель  и  диод  на  входе.

Внешний  вид  готового  преобразователя  напряжения  представлен  на  рис.  3,  где  1  —  корпус  преобразователя,  2  —  входные  контакты,  3  —  выходные  контакты,  4  —  вентилятор

Рисунок  3.  Внешний  вид  преобразователя  напряжения  12/220  В

Монтаж  электрической  схемы  преобразователя  выполнен  на  печатной  плате.  Топология  проводников  печатной  платы  (рис.  4)  разработана  в  программе  Sprint-Layout  4.0.

Рисунок  4.  Рисунок  проводников  печатной  платы

Для  предупреждения  перегрева  транзисторов  при  длительных  режимах  работы  установлены  радиатор  и  вентилятор.

Готовый  преобразователь  был  испытан  для  питания  энергосберегающих  ламп  и  ламп  накаливания  мощностью  до  40  Вт  (рис.  5).

Рисунок  5.  Испытание  преобразователя

Преобразователь  испытывался  как  в  кратковременных,  так  и  в  длительных  режимах  работы  (4  часа)  с  энергосберегающими  и  лампами  накаливания  разной  мощности  до  40  Вт.  Во  всех  случаях  было  отмечено  нормальное  яркое  свечение  без  мерцания.

Сравнительный  эксперимент  на  двух  лампах  одного  номинала,  подключенных  к  преобразователю  и  к  розетке  с  напряжением  220  В  —  50  Гц,  показал  визуально  одинаковый  результат.

Разработанный  малогабаритный  источник  постоянного  напряжения  220  В  с  питанием  от  аккумуляторной  батареи  12  В  предназначен  для  автономного,  яркого  и  экономичного  освещения  дома,  гаража,  дачи  при  недоступности  централизованного  электроснабжения.  Схема  преобразователя  отличается  простотой,  надежностью  и  набором  недорогих  и  доступных  элементов.

Список  литературы:

1.ГОСТ  18311-80.  Изделия  электротехнические.  Термины  и  определения  основных  понятий.

2.Семенов  Б.Ю.,  Силовая  электроника  для  любителей  и  профессионалов  —  М.:  СОЛО-Р,  2001.  —  327  с.