У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд. У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд Устройства с очень большим кпд схемы

Однотактные преобразователи с высоким КПД, 12/220 вольт

Некоторые привычные бытовые электроприборы, такие как лампа дневного света, фотовспышка и ряд других, иногда бывает удобно использовать в автомобиле.

Так как большинство устройств рассчитаны на питание от сети с действующим напряжением 220 В, нужен повышающий преобразователь. Электробритва или же небольшая лампа дневного света потребляют мощность не более 6...25 Вт. При этом от такого преобразователя часто не требуется переменное напряжение на выходе. Указанные выше бытовые электроприборы нормально работают при питании постоянным или однополярным пульсирующим током.

Первый вариант однотактного (обратноходового) импульсного преобразователя постоянного напряжения 12 В/220 В выполнен на импортной микросхеме ШИМ-контроллера UC3845N и мощном N-канапьном полевом транзисторе BUZ11 (рис. 4.10). Эти элементы более доступны чем отечественные аналоги, и позволяют добиться высокого КПД от устройства, в том числе и за счет малого падения напряжения исток-сток на открытом полевом транзисторе (КПД преобразователя зависит и от соотношения ширины импульсов, передающих энергию в трансформатор к паузе).

Указанная микросхема специально предназначена для выполнения однотактных преобразователей и имеет внутри все необходимые узлы, что позволяет сократить число внешних элементов. У нее имеется сильноточный квазикомплементарный выходной каскад, специально предназначенный для непосредственного управления мощным. М-канальным полевым транзистором с изолированным затвором. Рабочая частота импульсов на выходе микросхемы может достигать 500 кГц. Частота определяется номиналами элементов R4-C4 и в приведенной схеме составляет около 33 кГц (Т=50 мкс).

Рис. 4.10. Схема однотактного импульсного преобразователя, повышающего напряжение

Микросхема также содержит схему защиты для отключения работы преобразователя при снижении напряжения питания ниже 7,6 В, что полезно при питании устройств от аккумулятора.

Рассмотрим более подробно работу преобразователя. На рис. 4.11 приведены диаграммы напряжений, поясняющие проходящие процессы. При появлении положительных импульсов на затворе полевого транзистора (рис. 4.11, а) он открывается и на резисторах R7-R8 будут импульсы, показанные на рис. 4.11, в.

Наклон вершины импульса зависит от индуктивности обмотки трансформатора и если на вершине имеется резкое увеличение амплитуды напряжения, как это показано пунктиром, это говорит о насыщении магнитопровода. При этом резко увеличиваются потери преобразования, что приводит к нагреву элементов и ухудшает работу устройства. Чтобы устранить насыщение, потребуется уменьшить ширину импульса или увеличить зазор в центре магнитопровода. Обычно бывает достаточно зазора 0,1...0,5 мм.

В момент выключения силового транзистора индуктивность обмоток трансформатора вызывает появление выбросов напряжения, как это показано на рисунках.

Рис. 4.11. Диаграммы напряжения в контрольных точках схемы

При правильном изготовлении трансформатора Т1 (секционировании вторичной обмотки) и низковольтном питании амплитуда выброса не достигает опасного для транзистора значения и поэтому в данной схеме специальных мер, в виде демпфирующих цепей в первичной обмотке Т1, не используется. А чтобы подавить выбросы в сигнале токовой обратной связи, приходящем на вход микросхемы DA1.3, установлен простой RC-фильтр из элементов R6-C5.

Напряжение на входе преобразователя, в зависимости от состояния аккумулятора, может меняться от 9 до 15 В (что составляет 40%). Чтобы ограничить изменение выходного напряжения, обратная связь по входу снимается с делителя из резисторов R1-R2. При этом выходное напряжение на нагрузке будет поддерживаться в диапазоне 210...230 В (Rнaгp=2200 Ом), см. табл. 4.2, т. е. меняется не более чем на 10%, что вполне допустимо.

Таблица 4.2. Параметры схемы при изменении напряжения питания

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет автоматического изменения ширины открывающего транзистор VT1 импульса от 20 мкс при Uпит=9 В до 15 мкс (Uпит=15 В).

Все элементы схемы, кроме конденсатора С6, размещены на односторонней печатной плате из стеклотекстолита размером 90x55 мм (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Топология печатной платы и расположение элементов

Трансформатор Т1 крепится на плате при помощи винта М4х30 через резиновую прокладку, как это показано на рис. 4.13.

Рис. 4.13 Вид крепления трансформатора Т1

Транзистор VT1 устанавливается на радиаторе. Конструкция штекера. ХР1 должна исключать ошибочную подачу напряжения на схему.

Импульсный трансформатор Т1 выполнен с использованием широко распространенных броневых чашек БЗО из магнитопровода М2000НМ1. При этом в центральной части у них должен быть обеспечен зазор 0,1...0,5 мм.

Магнитопровод можно приобрести с уже имеющимся зазором или же сделать его при помощи грубой наждачной бумаги. Величину зазора лучше экспериментально подобрать при настройке так, чтобы магнитопровод не входил в режим насыщения - это удобно контролировать по форме напряжения на истоке VT1 (см. рис. 4.11, в).

У трансформатора Т1 обмотка 1 -2 содержит 9 витков проводом диаметром 0,5.0,6 мм, обмотки 3-4 и 5-6 по 180 витков проводом диаметром 0,15...0,23 мм (провод типа ПЭЛ или ПЭВ). При этом первичная обмотка (1-2) располагается между двумя вторичными, т.е. сначала наматывается обмотка 3-4, а потом 1-2 и 5-6.

При подключении обмоток трансформатора важно соблюдать показанную на схеме фазировку. Неправильная фазировка не приведет к повреждению схемы, но работать как нужно она не будет.

При сборке использованы детали: подстроенный резистор R2 - СПЗ-19а, постоянные резисторы R7 и R8 типа С5-16М на 1 Вт, остальные могут быть любого типа; электролитические конденсаторы С1 - К50-35 на 25 В, С2 - К53-1А на 16 В, С6 - К50-29В на 450 В, а остальные типа К10-17. Транзистор VT1 установлен на небольшой (по размерам платы) радиатор, сделанный из дюралевого профиля. Настройка схемы заключается в проверке правильной фразировки подключения вторичной обмотки при помощи осциллографа, а также установки резистором R4 нужной частоты. Резистором R2 устанавливается выходное напряжение на гнездах XS1 при включенной нагрузке.

Приведенная схема преобразователя предназначена для работы с заранее известной мощностью нагрузки (6...30 Вт - постоянно подключенной). В холостом ходу напряжение на выходе схемы может достигать 400 В, что не для всех устройств допустимо, так как может привести к их повреждению из-за пробоя изоляции.

Если преобразователь предполагается использовать в работе с нагрузкой разной мощности, к тому же включаемой во время работы преобразователя, то необходимо снимать сигнал обратной связи по напряжению с выхода. Вариант такой схемы показан на рис. 4.14. Это не только позволяет ограничить выходное напряжение схемы в холостом ходу величиной 245 В, но и снизит потребляемую мощность в этом режиме примерно в 10 раз (Iпотр=0,19 А; Р=2,28 Вт; Uh=245 В).

Рис. 4.14. Схема однотактного преобразователя с ограничением максимального напряжения в холостом ходу

Трансформатор Т1 имеет такой же магнитопровод и намоточные данные, что и в схеме (рис. 4.10), но содержит дополнительную обмотку (7-4) - 14 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0.12.0.18 мм (она наматывается последней). Остальные обмотки выполнены аналогично, как и в выше описанном трансформаторе.

Для изготовления импульсного трансформатора можно также использовать квадратные сердечники серии. КВ12 из феррита М2500НМ - число витков в обмотках в этом случае не изменится. Для замены магнитопроводов броневых (Б) на более современные квадратные (KB) можно воспользоваться табл. 4.3.

Сигнал обратной связи по напряжению с обмотки 7-8 через диод поступает на вход (2) микросхемы, что позволяет более точно поддерживать выходное напряжение в заданном диапазоне, а также обеспечить гальваническую развязку между первичной и выходной цепью. Параметры такого преобразователя, в зависимости от питающего напряжения, приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4. Параметры схемы при изменении напряжения питания

Еще немного повысить КПД описанных преобразователей можно, если импульсные трансформаторы закреплять на плате диэлектрическим винтом или термостойким клеем. Вариант топологии печатной платы для сборки схемы приведен на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Топология печатной платы и расположение элементов

При помощи такого преобразователя можно питать от бортовой сети автомобиля электробритвы "Агидель", "Харьков" и ряд других устройств.