Однотактный автогенератор – ИБП, своими руками.

 


    Одной из широко распространенных однотактных схем преобразователя-инвертора является схема с обратным включением выпрямительного диода.
Простой автогенераторный (с самовозбуждением) инвертор-преобразователь переменного напряжения 220 вольт в 16 вольт постоянного напряжения и мощностью до 15 ватт можно изготовить своими руками из вполне доступных деталей.
Рассмотрим рабочую схему однотактного преобразователя – инвертора с самовозбуждением.

Рис. 1

    Описание устройства
    Сетевое переменное напряжение U=220 вольт выпрямляется диодным мостиком (любые диоды напряжением U=400 вольт и ток I=0,5 ампера). Низкочастотный фильтр в виде электролитического конденсатора С1 емкостью 20 микрофарад. Постоянное напряжение на выходе выпрямителя равно 290 - 305 вольт и зависит от нагрузки.
    Устройство данного инвертора-преобразователя представляет из себя генератор прямоугольных импульсов с самовозбуждением , работающий на частоте 80 – 160 килогерц (зависит от нагрузки).
    Резистор R1 необходим для ограничения броска тока через выпрямительные диоды Д1 – Д4 и конденсатор С1, при включении устройства в сеть. Этот резистор также можно использовать вместо предохранителя. Падение напряжения на резисторе не превысит нескольких вольт, что вполне допустимо для маломощного инвертора.
    Резистор R2 служит для установки начального смещения транзистора.
Резистор R3, конденсатор C2 и диод Д5, а также конденсатор С4, служат для сглаживания выбросов высокого напряжения на коллекторе, возникающих при закрывании транзистора Т1.
    Цепочка R4, C3 служит для подачи импульсов обратной связи с выхода трансформатора (обмотка w3) на базу ключевого транзистора Т1, для поддержания автоколебательного режима.
Диод Д6 ограничивает обратное напряжение управляющего импульса на базе транзистора Т1 на уровне 0,7 - 1,0 вольта, а также нормальной работы (заряд - разряд) конденсатора С3.
    Узел состоящий из элементов Т2, R5, Д9 служит для стабилизации и автоматического регулирования выходного напряжения инвертора. Если убрать цепочку (Т2, R5 и Д9), генератор будет работать, но напряжение Uэк на коллекторе транзистора Т1 возрастет до 1000 - 1500 вольт и транзистор НЕМЕДЛЕННО будет пробит.
Диод Д7 и конденсаторы С5 и С6 участвуют в формировании выходного постоянного напряжения. Лампочка Л2 служит индикатором наличия напряжения на выходе инвертора.
    Рабочее напряжение на коллекторе транзистора Т1 достигает 600 - 650вольт.
Поэтому в качестве ключевого транзистора нужно использовать высоковольтный транзистор средней или большой мощности, биполярный, с максимальным напряжением коллектор-эмиттер Uкэ = 700 - 1500 вольт.
    Я выбрал недорогой, широко распространенный биполярный транзистор средней мощности 13003 или большей мощности 13005, с максимальным напряжением Uкб = 700 вольт. Транзистор нужно поставить на небольшой радиатор площадью 30 - 40 кв. см.

    При включении устройства в сеть, автогенератор начинает вырабатывать импульсы прямоугольной формы на первичной обмотке трансформатора w1 напряжением 600 – 650 вольт относительно общего провода.
Когда транзистор Т1 открыт (напряжение на коллекторе, относительно общего провода, почти равно нулю), идет накопление индуктивной энергии в магнитном сердечнике трансформатора Тр.
В это время напряжение на вторичной обмотке w2: минус на верхнем (точка 3) и плюс на нижнем по схеме (точка 4) конце обмотки. Диод Д7 закрыт.
Когда транзистор Т1 закрывается, напряжение на коллекторе Т1 повышается до 600 – 650 вольт. На верхнем конце обмотки w2 (точка 3) появляется положительный, а на нижнем конце (точка 4) отрицательный потенциалы. Открывается диод Д7.    
   
Накопленная в сердечнике магнитная энергия расходуется на поддержание ЭДС самоиндукции в обмотках. Идет процесс пассивного размагничивания магнитного сердечника. От образовавшегося напряжения самоиндукции заряжается накопительный конденсатор С5, С6, одновременно ток идет и в цепь нагрузки.
     Во время рабочего хода (транзистор открыт, диод Д7 закрыт) напряжение на выходе Uвых поддерживается за счет энергии накопленной в электролитическом конденсаторе большой емкости С6. Конденсатор (не электролитический) малой емкости С5, служит для шунтирования конденсатора С6 по высокой частоте и уменьшает помехи на выходе выпрямителя.
    Стабилитрон Д9 определяет величину выходного напряжения инвертора. Если, например, Вам необходимо напряжение на выходе инвертора U = 16 вольт, нужно поставить стабилитрон на 15 вольт, или два стабилитрона по 7,5 вольта включенных последовательно.
    Например, один стабилитрон КС515А или два Д814А, включенных последовательно. На выходе будет около 16,3-16,5 вольт. К 15 вольтам стабилитрона добавится еще и падение напряжения на базовом переходе транзистора Т2.
    При изменении сопротивления нагрузки Rнагр от 0 до 15 ватт, выходное напряжение изменяется незначительно, в пределах 0,2 – 0,4 вольта.

    Работа узла управления – стабилизации выходного напряжения.
Первоначально, после включения питания, начинает работать генератор. Переменное напряжение с вторичной обмотки w2 поступает на выпрямительный узел. Идет постепенный заряд накопительного конденсатора С6.
    После достижения на нем напряжения Uвых = 16,3 вольт, пробивается стабилитрон Д9. Открывается транзистор Т2 и «закорачивает» переход эмиттер – база транзистора Т1. Транзистор Т1 закрывается, прекращается процесс зарядки конденсатора С6.
    По мере разряда конденсатора С6 на нагрузку, напряжение на нем падает до величины менее 16,3 вольта – стабилитрон Д9 закрывается, транзистор Т2 закрывается, перестает шунтировать базовый переход транзистора Т1 и оный вновь открывается. Снова начинает работать генератор. Повторяется процесс «дозарядки» конденсатора С6 до уровня Uвых = 16,3 вольт.
    Таким образом, идет регулировка постоянного выходного напряжения на уровне 16,3 вольт.
    В режиме, когда нагрузка минимальна или равна нулю, время открытого состояния транзистора также минимально. По мере увеличения нагрузочного тока, время открытого состояния транзистора Т1 также увеличивается. Увеличивается и количество запасаемой магнитной энергии в ферритовом сердечнике.
    Скважность импульсов (отношение времени полного периода Т, к длительности самого импульса t) уменьшается.
Налицо явление широтно-импульсного регулирования (ШИМ) выходного напряжения.
    На рисунке показан режим работы генератора.


Таким образом, на обмотке w1 формируются импульсы прямоугольного напряжения.

    Существенным недостатком автогенераторной схемы является то, что в широких пределах меняется частота работы генератора, от 150 КГц (Rнагр = 0) до 70 КГц (Rнагр = max) .

    Наиболее пугающей воображение деталью электрической схемы преобразователя, является ферритовый трансформатор. Его можно изготовить самому. Это не так уж и сложно.
    В качестве ферритового сердечника взял Г-образные стержни от блока сведения лучей старого лампового цветного телевизора.


    Сложив два стержня получим О - образный магнитопровод для ферритового трансформатора. Сечение стержня у него S = 7 мм х 7 мм = 49 кв.мм. = 0,49 кв. см.
Трансформатор так же можно изготовить на Ш – образном, броневом (две чашки) или кольцевом ферритовом магнитном сердечнике.
    Площадь сечения сердечника для мощности до 15 ватт должна быть не менее S = 0,5 кв.см.
    Как изготовить импульсный трансформатор смотрите ЗДЕСЬ.

    Наладка и включение инвертора
    Наладку и включение инвертора необходимо проводить очень осторожно и ответственно, так как при малейшем нарушении схемы или другой оплошности, моментально «сгорает» транзистор Т1. По этой причине наладку нужно проводить поэтапно.
    Первый этап.
    На вход схемы нужно подать напряжение 75 – 80 вольт переменного или постоянного тока. Это нужно для того, чтобы в случае неправильного фазирования обмоток трансформатора, выбросы напряжения на коллекторе Т1 не превысили допустимые Uкб = 700 вольт для транзистора. Нагрузку на выходе схемы отключить.
    Дополним рабочую схему инвертора еще тремя деталями: С7, Д8, Л1 и включим их, как показано на схеме пунктирной линией.
    Еще раз проверим правильность подключения всех деталей схемы. Неправильное включение – пробой транзистора Т1.
Включаем питание!!
Если загорелись две лампочки (Л1 и Л2) или хотя бы одна из лампочек, все прекрасно. Генератор заработал.
    Если же ни одна лампочка Л1 или Л2 не загорелись, проделываем следующее действие. Меняем местами концы базовой обмотки w3 трансформатора (точки 1 и 2) и снова включаем питание.
Если и сейчас генератор не заработал, хорошенько проверьте подключение всех деталей схемы и монтаж, а также, не «сгорел» ли уже транзистор Т1.
    После внимательной проверки всех деталей снова повторите процесс включения.
    Второй этап.
    Генератор заработал. Лампочки, или лампочка, загорелись. Необходимо чтобы лампочка Л2 горела ярче, чем Л1 (смотреть по схеме). Если произошло наоборот, ярче горит лампочка Л1, необходимо поменять местами концы вторичной обмотки w2 трансформатора (точки 3 и4).
    Можно проконтролировать напряжения в точках 5 и 6, относительно точки 7. Лучше всего измерить мультиметром в режиме  постоянного напряжения.
    При нормально работающем генераторе напряжение между точками 6 и 7 должно быть около14 - 16 вольт. Между точками 5 и 7 напряжение, со знаком минус, около 10 вольт (это только в режиме наладки).
    Режим наладки закончен.

    Можно подать напряжение сети 220 вольт на вход схемы и подключить на выход к клеммам плюс (+) и минус (-) небольшую нагрузку. Например, проволочное сопротивление на 30 Ом на мощность 20 ватт.
При выходном напряжении 16,3 вольт на нем выделится мощность около 7-8 ватт.
     Выходное напряжение изменится незначительно.
Напряжение между клеммами 5 и 7 увеличится примерно до 25-27 вольт. Это нормально.
    Лампочку Л2 можно оставить как индикатор работы и наличия выходного напряжения устройства.
    Детали С7, Д8 и Л1 можно удалить, они нужны только для наладки устройства.

    Рассматриваемая схема обладает способностью стабилизировать выходное напряжение. При изменении входного напряжения сети от 170 до 250 вольт и при изменении нагрузки от Rmin до Rmax, выходное напряжение почти не меняется и находится в пределах 16,3 - 16,5 вольт.

    Недостатки данной схемы:
  • - гальваническая связь выходных цепей с электрической сетью 220 вольт, нужно соблюдать правила электробезопасности.
  • - отсутствие всяческих защит от перегрузок по току, напряжению и т.д.

    Можно устранить гальваническую связь с сетью, если намотать дополнительную обмотку w4 из 14 витков и управление транзистором Т2 проводить от нее.
Вариант такой схемы смотреть здесь.

    Параметры деталей.
    Резисторы: R1 – 25-50 Ом, 1 ватт; R2 – 470 КОм; R3 – 30 Ком, 1 ватт (лучше всего составить из двух резисторов по 15 КОм); R4 – 150 Ом; R5 - 1,5 Ком.
    Конденсаторы: С1 – 20,0 МкФ, 400 вольт; С2 – 3300 пФ, 1000 вольт; С3 – 47nФ, 50 вольт; С4 – 2200 пф; С5 – 0,1 МкФ; С6 – 100,0 МкФ, 25 вольт; С7 – 1,0 МкФ.
    Диоды: Д1 - Д6, Д8 – N4007; Д7 – КД213, поставить на радиатор площадью 10 кв. см.; Д9 – стабилитрон КС515.
    Лампочки маломощные электрические  Л1 и Л2 – 24–36 вольт на ток 100 – 200 мА.
    Транзисторы: Т1 – 13003 или 13005 на радиаторе 25 – 30 кв.см.; Т2 – любой маломощный среднечастотный транзистор, например КТ603.

    Теперь о ферритовом трансформаторе.
Мною испытывались различные ферритовые сердечники под данную схему и на мощность до 15 ватт. Кто не имеет опыта в намотке ферритовых трансформаторов, лучше сначала попробовать изготовить его на Г – образном сердечнике (смотрите выше).
    Первичная обмотка w1 имеет 170 витков провода в эмалевой изоляции, диаметром 0,25 мм.
    Вторичная обмотка w2 имеет 14 витков провода диаметром 0,6 – 0,7 мм. в любой изоляции.
    Базовая обмотка w3 имеет 2 витка провода диаметром 0,2 – 0,3 мм.
Как намотать ферритовый трансформатор смотрите тут.
 


Если добавить к изготовленному инвертору простой регулятор выходного напряжения, то можно запитать 12-вольтовый вентилятор от компьютера.

2014 г.   Виктор Егель