Для зменшення габаритів і маси мережевих джерел живлення в останні роки все ширше використовують перетворення напруги на частоті кілька десятків кілогерц. Такий джерело містить випрямляч напруги, фільтр пульсацій з подвоєною частотою мережі, перетворювач напруги, понижуючий трансформатор, випрямляч і фільтр з подвоєною частотою пульсацій перетворення. Перетворювач зазвичай виконують за схемою мостового або напівмостового інвертора, в якому транзистори відкриваються і закриваються по черзі через півперіода комутації. Недолік такого перетворювача - наявність наскрізного колекторного струму в моменти закривання транзисторів. З-за цього на них виділяється велика миттєва електрична потужність, допустимий значення якої і обмежує потужність подібних пристроїв. Допустима миттєва потужність зазвичай застосовуються в перетворювачах напруги кремнієвих транзисторів, наприклад, серії КТ812, не перевищує кількох сотень ват.
Зняти це обмеження в певній мірі дозволяє застосування мостового інвертора, навантаженого послідовним резонансним контуром. Транзистори такого устрою закриваються при відсутності колекторних струмів, максимальна напруга на колекторі (за відношенню до емітером) і максимальний колекторний струм діють на транзистор різний час, тому миттєва електрична потужність, що виділяється на ньому, виявляється невеликий.
Можливість мостового інвертора з послідовним резонансним контуром ілюструє описуваний нижче мережевий блок живлення. Він призначений для використання в якості еквівалента 27-вольтової бортової мережі автомобіля (при активної або індуктивно-активному навантаженні).
Принципова схема пристрою зображена на малюнку. Його основні вузли - фільтр C1L1C2, що запобігає проникнення в мережу перешкод від перетворювача частоти; випрямляч мережевого напруги на діодах VD1- VD4 з фільтром C3-C5L2C6 - С8; мостовий інвертор на транзисторах VT1 - VT4 з резонансним контуром L3C10C11, понижуючий трансформатор 74, випрямляч напруги підвищеної частоти на діодах VD13-VD18 з фільтром C12-C15L4C16C17; вузол керування інвертором на мікросхемах DD1-DD4 і транзисторах VT5, VT6 і два живлять його джерела: нестабілізованим (VD19) і стабілізований (VD20 DA1). Світлодіод HL1 - індикатор включення блоку в мережу.
Вузол керування мостовим інвертором складається з генератора тактових імпульсів, виконаного на одновибраторах мікросхеми DD1, розподільника імпульсів на тригер DD2.2 і елементах мікросхеми DD4, двох підсилювачів (DD3.3; VT5 і DD3.4, VT6) і пристрої захисту блока від перевантаження (VD21, DD2.1) з синхронізатором (DD3.1, DD3.2). Світлодіод HL2 сигналізує про спрацювання пристрою захисту.
При включенні блоку в мережу тумблером Q1 подається напруга живлення на вузол керування, і на інверсному виході одновібратора DD1.2 з'являються позитивні імпульси тривалістю 17 мкс з постійною частотою повторення близько 40 кГц. Тригер DD2.2 сигналами логічної 1, що виникають на його прямому і інверсному виходах, по черзі "відкриває" елементи DD4.1, DD4.2. і імпульси надходять на вхід одного підсилювача (DD3.3, VT5), іншого (DD3.4, VT6). В внаслідок імпульси відкриває полярності подаються на емітерний перехід то транзисторів VT1, VT4, то VT2, VT3.
Через деякий час після появи імпульсів тактового генератора (затримка обумовлена досить великий постійної часу фільтра C3-C5L2C6-C8) на конденсаторі С9 виникає плавно наростаючий випрямлена напруга і інвертор перетворює його в змінну напругу частотою 20 кГц, прикладена до обмотці I трансформатора Т4. Напруга, що знімається з його обмотки I, випрямляється діодами VD13-VD18 і через фільтр С12-C15L4C16C17 надходить на навантаження. Резистор R13 знижує вихідна напруга ненавантаженого випрямляча.
В роботі інвертора можна виділити чотири фази. У першій, тривалістю 17 мкс, відкриваються транзистори VT1, VT4, і конденсатори С10, С11 заряджаються через них, первинну обмотку трансформатора Т4 і дросель L3. Струм у цьому ланцюзі спочатку зростає від нуля до максимального значення, а потім, у міру зарядження конденсаторів, зменшується до нуля. Форма струму нагадує напівперіод синусоїди.
У другій фазі, триває 8 мкс, на бази транзисторів VT1, VT4 подається напруга закриває полярності, і вони закриваються.
У третій фазі (як і першою, тривалістю 17 мкс) відкриваються транзистори VT2, VT3, а до кожного з закритих транзисторів VT1, VT4 прикладається практично всі випрямлена діодами VD1-VD4 напруга (при навантаженні опором 1 Ом - близько 260). Струм перезарядки конденсаторів С10, С11 до максимальної напруги протилежної полярності так само, як і в першій фазі, тече через послідовний контур, утворений конденсаторами, дроселем L3 і первинною обмоткою трансформатора Т4. Напруга, до якого вони перезаряджаються, залежить від опору навантаження: чим воно менше, тим більше це напруга (при навантаженні опором 1 Ом - приблизно 200 В).
В момент, коли колекторний струм транзисторів VT2, VT3 зменшується до нуля, починається четверта фаза роботи інвертора, що триває, як і друга, 8 мкс: бази транзисторів з обмоток трансформаторів Т2 і Т5 подається закриває напруга. Транзистори VT1, VT4 всі це час продовжують залишатися закритими. Пауза потрібна для того, щоб транзистори VT2, VT3 повністю закрилися і при відкриванні транзисторів VT1, VT4 не виник імпульс наскрізного струму через транзистори сусідніх плечей. Завдяки тому, що комутує напругу надходить на емітерний перехід в моменти, коли колекторного струму немає, миттєва електрична потужність на колекторному перехід в найгіршому випадку не перевищує декількох ватів.
Вузол захисту блока від перевантаження працює наступним чином. Після подачі напруги живлення тригер DD2.7 встановлюється в одиничний стан (на інверсному виході - напруга логічного 0), і на виході елемента DD3.2 (висновок 11) з'являється напруга логічної 1, що створює умови для проходження імпульсів тактового генератора через елементи DD4.1 і DD4.2 цьому стані тригер залишається весь час, поки потужність, що віддається в навантаження, менше 1 кВт.
При досягненні граничної потужності амплітуда першого ж імпульсу, що надійшов на лічильний вхід тригер DD2.З 1 вторинної обмотки трансформатора струму Т3 через міст VD21, виявляється достатньою, щоб перевести тригер у нульовий стан (на інверсному виході - напруга логічної 1). Зміна низького логічного рівня високим на верхньому по схемою вході елемента DD3.2 призводить до того, що з приходом чергового тактового імпульсу на його виході встановлюється напруга логічного 0, і проходження імпульсів через елементи DD4.1, DD4.2 припиняється. Завдяки RS-тригера на елементи DD3.1, DD3.2 сигнал заборони з'являється тільки у момент початку паузи між імпульсами, що запобігає вихід транзисторів інвертора з ладу (закривання при наявності колекторного струму призвело б до виходу їх з ладу із-за надмірне збільшення миттєвої електричної потужності). Вузол захищає транзистори інвертора і при короткому замиканні навантаження.
Для повернення блоку живлення в початковий стан після спрацювання захисту його потрібно вимкнути і знову включити тумблером Q1. При виключенні блоку конденсатори фільтра С3 - С8 розряджаються через резистори R1 і R2. Це необхідно для того, щоб під час наростання амплітуди імпульсів базового струму транзисторів VT1 - VT4 після повторного включення, коли вони відкриваються не повністю (тобто не входять у режим насичення), на їх колекторах не виявилося відразу великої напруги, здатного привести до виходу з ладу.
В резонансному контурі перетворювача застосовані конденсатори (С10, С11) К71-4 на номінальну напругу 250 Ст. Конденсатори фільтра С12-С15 - К73-16 на номінальну напругу 63 Ст. Резистор R13 - ПЕВ-10. Інші резистори і конденсатори - будь-якого типу. Вимикач Q1 - ТВ1-2.
У джерелі живлення вузла управління застосований уніфікований трансформатор ТН13 127/220-50. Всі інші трансформатори та дроселі пристрої - саморобні. Намотувальні дані наведено в таблиці. Дросель L3 і обидві обмотки трансформатора Т4 намотані свитыми в джгут проводами. Для зменшення індуктивності розсіювання цього трансформатора намотана обмотка II двома складеними разом джгутами. Відвід отримано з'єднанням виведення початку однієї з полуобмоток з висновком іншого кінця.
Магнітопроводи всіх дроселів зібрані з немагнітним зазором 0,5 мм.
Вузол керування інвертором і джерело його живлення змонтовані на друкованій платі з фольгованого склотекстоліти товщиною 2 мм Більшість інших деталей блоки змонтовані навісним способом на трьох платах розмірами 220x85 мм з текстоліту товщиною 3 мм: на одній з них закріплені діоди VD1- VD4 і деталі фільтрів C1L1C2 і C3-C5L2C6-C9, на інший - трансформатори T2, T3, T5 і деталі інвертора, на третій - дросель L3 і деталі фільтра C12-C15L4C16C17.
Транзистори VT1 - VT4 встановлені на дюралюмінієвих тепловідводах у вигляді пластин розмірами 70x60x8 мм (сторонами 60х8мм вони прикріплені до монтажній платі), діоди VD1-VD4 - на П-подібних тепловідводах, зігнутих з алюмінієвих пластин розмірами 100x25x1,5 мм, діоди VD13...VD18 і трансформатор Т4 - на ребристому дюралюминиевом тепловідведення з площею охолоджуючої поверхні близько 1000 см2, закріпленому в задній частині корпусу блоку.
Налагодження пристрою починають без запобіжника FU1. Увімкнувши живлення вузла керування, за допомогою осцилографа переконуються в наявності на эмиттерных переходах транзисторів VT1-VT4 імпульсів позитивної полярності тривалістю 17 мкс з частотою повторення близько 20 кГц (період коливань - приблизно 50 мкс). При з'єднанні будь-якого висновку вторинної обмотки трансформатора струму 73 з плюсовим висновком джерела живлення мікросхем вузла управління ці імпульси повинні зникати.
Потім відключають висновок дроселя L3 від первинної обмотки трансформатора Т4, встановлюють на місце запобіжник FU1, а замість контактів 7 і 8 мережевого вимикача Q1 включають міліамперметр. Струм, споживаний інвертором без навантаження, повинен бути не більше 15 мА. Переконавшись у цьому, з'єднують висновки дроселя L3 і первинної обмотки трансформатора T4 додатковим резистором опором 0,5 Ом, відпоюють мережеві висновки випрямного моста VD1 - VD4 від дроселі L1 і подають на них від регульованого автотрансформатора (наприклад, Латр) змінну напруга 20...30 Ст. До виходу блоку підключають еквівалент навантаження - резистор опором 1 Ом з потужністю розсіювання 700...800 Вт. Контролюючи осцилографом форму напруги на додатковому резисторі, підбирають немагнітний зазор в магнітопроводі дроселя L3 таким, щоб імпульси (як позитивної, так і негативної полярності) на екрані стали якомога більше схожими на півхвилі синусоїди.
Далі, спостерігаючи за формою імпульсів, підвищують напругу на вході мосту VD1 - VD4 до 220 В. Вихідна потужність на еквіваленті навантаження зростає при цьому до 650...700 Вт, проте форма імпульсів повинна залишитися практично незмінною. Якщо ж при такої потужності вони загострюються, то це свідчить про насичення магнітопроводу дроселя L3 або трансформатора Т4 і його необхідно замінити більш масивним (з великим перетином).
Нарешті, виключивши з ланцюги додатковий резистор, підбирають резистор R18 таким чином, щоб вузол захисту від перевантаження спрацьовував при вихідній потужності 1 кВт (її отримують зменшенням опору навантаження еквівалента).
Під час налагодження слід дотримуватися правил техніки безпеки, так як багато ланцюга блоку харчування, зокрема, підлягають контролю осцилографом, знаходяться під високим напругою.
Навантаження потужністю до 700 Вт можна з'єднувати безпосередньо з виходом блоку і комутувати харчування тумблером. При більшій потужності бажано передбачити додатковий вимикач в ланцюзі навантаження і спочатку підключати блок до мережі, а потім навантаження до його виходу
Автор: С. Цвєтаєв