Журнал Радиоконструктор, март 2015
Снегирев И.
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:
- Использование готового низкочастотного силового трансформатора с одной низковольтной обмоткой и без отводов от её середины. Что наиболее выгодно с точки зрения выбора готового трансформатора.
- Ступенчатое импульсное напряжение, поступающее на низковольтную обмотку трансформатора создает на высоковольтной обмотке напряжение наиболее близкое по форме к синусоиде.
 |
| Рисунок 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.
 |
| Рисунок 2. |
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 промежутоные ключи на биполярных транзисторах VT1-VT3 и VT12-VT14.
Транзистор VT1 управляет транзисторами VT4 и VT5. Это Р-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. По этому на транзисторах VT2 и VT3 сделан каскад, управляющий транзисторами VT6 и VT7, но не инвертирующий сигнал управления. Так 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 C4017. 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 12 В (или 24 В) должна быть основной, той самой на которой и выдается вся выходная мощность трансформатора.
Фактически, при указанных на схеме транзисторах мощность может быть до 700 Вт. 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 200 Вт 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 150 Вт 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.
 |
| Рисунок 3. |
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.
