Низковольтный инвертор для зарядки конденсаторов

Простой инвертор с низким энергопотреблением 12 вольт-220 вольт

Вот простой инвертор с низким энергопотреблением, который преобразует 12 В постоянного тока в 230-250 В переменного тока. Его можно использовать для питания очень легких нагрузок, таких как зарядные устройства для окон и ночные лампы, или просто для того, чтобы держать шокированных подальше от злоумышленников. Схема построена вокруг двух микросхем, а именно: микросхемы CD4047 и микросхемы ULN2004 .

Цепь инвертора низкой мощности

IC CD4047 (IC1) – моностабильный / нестабильный мультивибратор . Он подключен в нестабильном режиме и генерирует симметричные импульсы от 50 до 400 Гц, которые подаются на IC2 через резисторы R1 и R2. Простая схема инвертора с низким энергопотреблением.

ULN2004 (IC2) является популярной 7-канальной интегральной схемой Дарлингтона. Здесь три каскада Дарлингтона идут параллельно для усиления частот, принимаемых от IC1. Выход IC2 подается на трансформатор X1 через резисторы R3 и R4. Трансформатор X1 (9 В-0-9 В, 500 мА, вторичный) представляет собой обычный понижающий трансформатор, который используется здесь для функции реверса, то есть для повышения. Это означает, что он производит высокое напряжение. Резисторы R3 и R4 используются для ограничения выходного тока от ULN до безопасных значений. Выход 230-250 В переменного тока доступен через высокоимпедансную обмотку первичной обмотки трансформатора.

Микро-инвертор с низким потреблением

Здесь описана простая схема инвертора с низким энергопотреблением, которая преобразует 12 В постоянного тока в 230 В переменного тока. Его можно использовать для питания очень легких нагрузок, таких как ночные лампы и беспроводные телефоны, но его можно превратить в мощный инвертор, добавив больше МОП-транзисторов.

Цепь зарядного устройства

Эта схема имеет двухступенчатое зарядное устройство с отсечкой и индикатором уровня заряда батареи, а также схему инвертора. Зарядная цепь построена вокруг IC1 ( LM317 ), как показано ниже. Когда доступно напряжение 230 В переменного тока, IC1 подает напряжение на затвор SCR1 (TYN616) через диод D3 (1N4007). SCR1 начинает заряжать аккумулятор. Для настройки выходного напряжения можно использовать предустановку VR1. Зарядное устройство с цепью отключения Индикатор уровня заряда батареи и цепь инвертора показаны ниже. Система проверки уровня заряда батареи построена вокруг транзисторов T1 и T2 (оба BC547) вместе с некоторыми дискретными компонентами. Когда батарея заряжена (скажем, более чем до 10,50 В), индикатор LED1 светится, а пьезо-зуммер PZ1 не звучит. С другой стороны, когда напряжение батареи падает (скажем, ниже 10,50 В), светодиод1 перестает светиться и раздается звуковой сигнал, указывая на то, что батарея разряжена и нуждается в перезарядке для дальнейшего использования.

Инверторная схема

Индикатор уровня заряда батареи и схема инвертора Инвертор построен на IC2 ( CD4047 ), который подключен как нестабильный мультивибратор, работающий с частотой около 50 Гц. Выходы Q и Q IC2 напрямую управляют силовыми полевыми МОП-транзисторами (T3 и T4). Два полевых МОП-транзистора (IRFZ44) используются в двухтактной конфигурации. Выход инвертора фильтруется конденсатором С1.

Сборка и тестирование

Соберите схему на печатной плате общего назначения и поместите в подходящую металлическую коробку.

Двухтактный инвертор с пониженным питанием, 190-230/6-27 вольт 6 ампер. Схема, описание

Двухтактный полумостовой импульсный инвертор с небольшими габаритами используется как источник питания и для зарядки аккумуляторов. Пониженное напряжение питания инвертора предполагает использование в схеме ключевых транзисторов с низким рабочим напряжением. Зарядка аккумуляторов выполняется при стабильном напряжении. Паспортный ток заряда аккумулятора снижается к концу зарядного цикла до состояния буферного подзаряда.

В инверторе предусмотрено:

  • регулирование выходного напряжения и тока;
  • электронная защита от коротких замыканий в нагрузке и перегрузок в схеме в схеме (рис.1) происходит тройное преобразование напряжения;
  • переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается и понижается;
  • постоянное напряжение преобразуется в импульсное с частотой до нескольких десятков килогерц;
  • импульсное напряжение трансформируется в низковольтную цепь, выпрямляется и сглаживается.


(нажмите для увеличения)

Полученное постоянное напряжение используется для зарядки аккумуляторов или питания нагрузки (электронных схем, электродвигателей и т.п.). Пониженное питание инвертора позволяет использовать ключевые транзисторы с низким паспортным напряжением и снижает помехи преобразования. Схема инвертора оснащена двумя регуляторами: тока и напряжения.

Сетевой помехолодавляющии фильтр состоит из двухобмоточного дросселя Т2 и конденсаторов С13, С14. Фильтр снижает помехи от преобразователя, поступающие в сеть, и устраняет импульсные помехи, проникающие из сети. Перед фильтром установлены предохранитель FU1 и выключатель SA1.

После выпрямителя сетевого напряжения VD4 и сглаживающего фильтра на конденсаторе С12 постоянное напряжение подается на транзисторный фильтр-стабилизатор R15 VD2-VT3. С эмиттера VT3 пониженное напряжение определяемое напряжением стабилизации стабипитрона VD2. используется для питания инвертора. Оно дополнительно сглаживается конденсаторами С8 и С9 шунтированными резисторами R12 и R13 для выравнивания напряжении относительно средней точки. Терморезистор RK2ограничивает ток заряда конденсаторов фильтра при подаче сетевого напряжения.

Первичная обмотка высокочастотного трансформатора Т1 инвертора одним выводом подключена к средней точке конденсаторов С8 С9. а вторым выводом (через разделительный конденсатор С7) – к точке соединения силовых транзисторов VT1, VT2 ключевого преобразователя. Цепочка R14-С11 подавляет паразитные ВЧ-колебания в обмотках трансформатора после окончания импульса. Разделительный конденсатор С7 устраняет подмагничивание магнитопровода трансформатора Т1 при разбросе параметров конденсаторов С8 С9 и транзисторов VT1, VT2, а также позволяет использовать трансформатор без зазора в магнитопроводе.

От коэффициента усиления транзисторов VT1, VT2 зависит скорость переключения тока и потери мощности управления. Входная RC цепочка R7-C4 защищает инвертор от возникновения сквозных токов и ускоряет прохождение фронтов импульсов на базы транзисторов

При подаче питания на генератор на выходе 3 DA1 устанавливается высокий уровень на время, зависящее от номиналов R1, R2 и С1. Появление на базах транзисторов VT1, VT2 положительного импульса приводит к открыванию транзистора VT1 и закрыванию VT2. Конденсатор С7 в диагонали моста, заряженный через открытый транзистор VT2 напряжением со средней точки конденсаторов С8, С9. разряжается через транзистор VT1 В первичной обмотке трансформатора Т1 возникает импульс тока, который трансформируется во вторичную обмотку. При переключении генератора и появлении низкого уровня на выходе 3 DA1 транзистор VT1 закрывается, а VT2 – открывается. На конденсаторе С7 меняется полярность напряжения, и в первичной обмотке трансформатора Т1 возникает ток обратного направления. Импульсное напряжение с первичной обмотки трансформатора Т1 передается во вторичную (с учетом коэффициента трансформации), выпрямляется высокочастотным мостом VD3 на лавинных диодах и сглаживается конденсатором С10.

Генератор импульсов выполнен на аналоговом КМОП-таймере DA1 с минимальным энергопотреблением. Использовать таймер типа КР1006ВИ1 не рекомендуется ввиду увеличения потребляемого тока. Микросхема таймера DA1 содержит два компаратора подключенных к входам 6 и 2 RC-триггер выходной усилитель и ключевой транзистор на выводе 7 для разряда внешнего времязадающего конденсатора.

Микросхема DA1 работает в режиме мультивибратора. При зарядке конденсатора С1 до уровня 2/3 Uпит на выходе 3 – высокий уровень. После достижения этого уровня внутренний триггер DA1 устанавливает на выходе 3 низкий уровень, открывает ключевой транзистор, и конденсатор С1 разряжается через него и резисторы R2, R3. После разрядки С1 до уровня 1/3 Uпит, внутренний триггер переключает выходы 3…7 DA1 в исходное состояние. Цикл повторяется.

Выходное напряжение с конденсатора С10 через терморезистор RK1 поступает на переменный резистор R11. движок которого связан с входом управления параллельного стабилизатора напряжения DA2. Стабилизатор DA2 включен в цепь светодиода оптопары VU1. При повышении выходного напряжения, например, из-за увеличения сопротивления нагрузки. DA2 открывается сильнее, ток через светодиод VU1 возрастает транзистор оптопары открывается и шунтирует напряжение на входе управления 5DA1. Частота генератора снижается без изменения скважности импульсов, что приводит к уменьшению выходного напряжения, те к его возврату к установленному значению. При уменьшении выходного напряжения описанный процесс происходит наоборот.

Детали. Диодная сборка VD4 должна быть на напряжение не ниже 400 В и максимальный ток не менее 3 А. низковольтный выпрямитель VD3 – на напряжение не ниже 50 В и ток не менее 20 А. Транзисторы VT1 и VT2 – разной полярности с максимально близкими параметрами. Напряжение коллектор-эмиттер – не ниже 90 В и ток – не менее 3 А. Транзисторы устанавливаются на общий радиатор с использованием прокладок и теплопроводящей пасты. Терморезистор RK1 крепится к радиатору скобой с прокладкой и соединяется с печатной платой гибкими проводами в изоляции. Оптроны подойдут из серии LTV816, РС817

Дроссель L1 взят от блока питания компьютера YX EE25-01 или выполнен на ферритовом кольце диаметром 24…36 мм. Обмотка содержит 14 20 витков провода ПЭЛ 0,8 мм. Трансформатор Т1 типа KR4127, ERL35 2, Е1-28 применен без переделки от блока питания компьютера. Он намотан на сердечнике размерами 10x8x22 мм. Обмотка 1 Т1 содержит 38 46 витков провода 0,6 мм, обмотки 2 и 3 имеют по 7,5 витков каждая, выполнены жгутом из 4-х проводов 0,27 мм (для снижения потерь от поверхностного эффекта).

Детали устройства размещены на печатной плате, чертеж которой и схема расположения элементов приведены на рис.2.

Плата устанавливается в пластмассовом корпусе типа БП-1. Выносные элементы крепятся в отверстиях корпуса и соединяются с платой изолированными проводами подходящего сечения (провода управления – 0,5 мм2, силовые – 2 мм2).

Перед первым включением собранной схемы в разрыв цепи сетевого питания нужно включить лампочку (220 В 100 Вт). Это обезопасит устройство от выхода из строя при наличии ошибок в схеме или некачественных деталей. Слабый накал сетевой лампочки на холостом ходу и возрастание ее яркости при подключении нагрузки свидетельствуют о нормальном состоянии схемы. По окончании контрольной проверки лампочка удаляется, и преобразователь включается в сеть без ограничения тока.

Наладку инвертора лучше всего выполнять с помощью осциллографа. Нужно проконтролировать наличие прямоугольных импульсов на выходе 3 DA1 и импульсного напряжения на обмотках трансформатора Т1. Подбором сопротивления R8 в точке соединения эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания

Ток нагрузки визуально устанавливается по амперметру РА1 регулятором тока – резистором R2. выходное напряжение – резистором R11 В качестве активной нагрузки при наладке можно использовать автомобильную лампочку (12 В, 30…50 Вт)

Для эксплуатации инвертора в качестве зарядного устройства резистором R11 при среднем положении движка R2 устанавливается выходное напряжение 14,2 В резистором R2 – необходимый ток заряда (в пределах 0,05 емкости аккумулятора). Время заряда обычно не превышает 5-6 часов, окончание заряда контролируется снижением тока заряда почти до нулевого уровня.

Внимание! Во время испытаний следует соблюдать правила техники безопасности

Авторы: В.Коновалов, А.Вантеев, Творческая лаборатория “Автоматика и телемеханика”, Иркутский центр “Энергосберегающие технологии”, г.Иркутск

Выбор инвертора (преобразователя напряжения)

Инвертором называют устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, меняя при этом величину напряжения.

Инверторы, преобразующие 12 В или 24 В в 220 В, становятся все востребованнее – ведь сфер применения этим приборам много:

  • автопутешествия – в дороге через инвертор к автомобильному аккумулятору можно подключить необходимые приборы – холодильник, насос, электроинструмент;
  • использование в системах альтернативных источников энергии — к примеру, для потребления электричества, выработанного солнечными батареями;
  • организация резервного источника электроснабжения для домашних нужд. Простая связка автомобильный аккумулятор + инвертор при неожиданном отключении электричества как минимум поддержит освещение в доме. Такая схема, кстати, имеет очень большое распространение в соседнем Китае – там аккумуляторы с инверторами нередкие гости в домах;
  • на даче или при строительстве загородного дома, кода линия электричества еще не подведена, или ее в принципе нет, а бензогенератор ставить не хочется.
Читайте также  Простой глушитель частоты

И это еще не все ситуации, когда инвертор облегчит вам жизнь.

Если вы уже задумались о покупке такого прибора, то следует разобраться – какие виды преобразователей напряжения бывают, и как подобрать оптимальный вариант под ваши нужды, не переплачивая лишних денег.

Первое, с чем нужно определиться – зачем вам нужен инвертор?

Самые простые, миниатюрные и маломощные инверторы, подключаемые в машинах к прикуривателю, организуют «обычную розетку» для подключения прибора небольшой мощности – зарядки телефона или ноутбука, подзарядки фонарика. При этом не нужно будет возить с собой ворох проводов, для питания каждого из устройств от прикуривателя. Вы просто будете подключать родной провод в организованную розетку.

Через автомобильный прикуриватель не стоит подключать инвертор с нагрузкой выше 150 Вт – можно вывести из строя всю электропроводку автомобиля и нарваться на дорогостоящий ремонт. Потребителей выше 150 Вт следует подключать только напрямую к аккумулятору, через клеммы.

К таким преобразователям можно подключить уже более мощные приборы. Для уменьшения потерь КПД и надежности, подключение мощных инверторов к клеммам аккумулятора следует проводить не «крокодильчиками», которыми иногда комплектуется прибор, а медными клеммами, под винт. Сечение и длину проводов подключения выбирайте исходя из расчета потерь тока, а не по нагреву.

Следующее, на что стоит обратить внимание – форма тока, которую выдает инвертор. Это важный момент, так как он определяет, какое оборудование вы сможете подключить к инвертору. Есть два вида:

  • чистая синусоида – токовая кривая в виде ровной синусоиды. К такому инвертору можно подключать любые приборы, без опасений за их сохранность. Недостатком этого типа можно назвать только высокую стоимость – для получения чистого синуса требуется сложная электрическая схема.

  • модифицированная синусоида – вид токовой кривой, напоминающей синусоиду, но на деле являющейся ступенчатой характеристикой. К инвертору с модифицированным синусом не стоит подключать: асинхронные двигатели, компрессоры, чувствительные к помехам устройства. Приборы даже если и будут работать при таком питании, но с заметным ухудшением качества – звуковая аппаратура будет «фонить», насосы и двигатели сильно греться и шуметь. Самое меньшее зло в этой ситуации будет – уменьшение КПД, большее (при постоянной эксплуатации) – их скорый выход из строя, из-за тяжелого режима работы.

Но это не значит, что инвертор с модифицированным синусом использовать не рекомендуется. Он не окажет негативного влияния на качество работы ламп освещения, нагревательных приборов, оборудования с импульсными блоками питания (ноутбуки, телефоны), большинство телевизоров, электроинструмент с коллекторными двигателями (лобзики, дрели). Однако для обеспечения работы электроинструмента от инвертора лучше докупить устройство плавного пуска – чтобы пусковые токи не выходили за пределы допустимого.

При выборе инвертора обязательно нужно продумать, что вы хотите к нему подключать, и уже после этого решать – готовы вы платить за устройство с чистым синусом, или оптимальной покупкой для вас будет менее дорогое устройство с модифицированной синусоидой.

Все преобразователи напряжения обладают двумя характеристиками по мощности –постоянная мощность и пиковая мощность прибора. Нужно различать эти два параметра.

Постоянная мощность говорит о том, с какой нагрузкой сможет справляться инвертор в длительном режиме работы. В зависимости от потребностей, можно подобрать устройство как невысокой мощности от 60 до 1000 Вт, так и серьёзный агрегат с мощностью от 1000 Вт и выше, позволяющий организовать мини-электростанцию на выезде.

Постоянную мощность необходимо выбирать таким образом, чтобы оставался запас, хотя бы 20 % – ни одно устройство не будет работать хорошо на пределе своих возможностей, поэтому не экономьте на этом моменте. Также не следует забывать о возможностях аккумулятора, ведь его емкость ограничена.

Пиковая мощность определяет предельную кратковременную нагрузку – от 150 до 10000 Вт. К примеру, пусковой ток холодильника, подключаемого к инвертору, как правило, в несколько раз выше номинальной мощности – это следует учитывать. Если вы не рассчитаете мощность инвертора для покрытия пускового тока, то прибор-потребитель не сможет начать работать.

Если инвертор будет работать от аккумулятора не снятого, а работающего от генератора машины, помните, что ток нагрузки инвертора не должен превышать выдаваемого тока генератора.

На деле подбор подходящей мощности не так уж и сложен, рассмотрим пример.

Подключаемая нагрузка: холодильник (15 Вт), зарядка ноутбука (80 Вт), зарядка телефона (60 Вт). Здесь, конечно, следует учесть пусковой ток холодильника, превышающий номинальный в 3-4 раза. Получится, что в момент включения холодильник потребит (в худшем случае) до 60 Вт. В итоге имеем, что для означенной нагрузки нам хватит инвертора в 300 Вт.

Конечно, не все инверторы работают с высоким КПД, при расчете мощности следует плюсовать к нагрузке еще возможные потери в кабеле, в зажимах и прочее – но вцелом видно, что для обеспечения минимально необходимых нужд сильно мощный инвертор не нужен. В большинстве случаев для комфортного туризма хватит прибора мощностью до 600 – 700 Вт, то есть с суммарным током нагрузки около 50 А, что гораздо меньше тока стандартного генератора на современных машинах.

Другой расклад получается, если вы захотите использовать инвертор для подключения электроинструмента – лобзиков, дрелей и др. Здесь уже целесообразно использование мощных инверторов – от 1 кВт и выше.

Преобразователи напряжения бывают различного уровня входного напряжения. Устройства до 2,5-3 кВт как правило работают от входного напряжения 12 В. Более мощные устройства, рассчитанные на выдачу нескольких киловатт, выпускаются на более высокие уровни напряжения – 24 и 48 В. Поэтому, выбирая инвертор, обратите внимание не только на мощность, но и на параметры входного напряжения:

  • максимальное входное напряжение от 12 до 30 В
  • минимальное входное напряжение от 9,2 до 24 В

Практически все инверторы оборудованы теми или иными видами защит, которые следят за параметрами работы, и помогают избежать критических ситуаций, действуя на отключение или звуковой сигнал:

  • защита от избыточного напряжения на входе
  • защита от короткого замыкания
  • защита от неправильного подключения
  • защита от низкого напряжения на входе (в том числе помогает избежать переразряда аккумулятора, отключая нагрузку при падении напряжения до заданной величины)
  • защита от перегрева
  • защита от перегрузки

Для подключения нагрузки у преобразователей напряжения могут быть предусмотрены различные выходы:

Устройство с необходимыми вам типами и количеством выходов выбирайте исходя из того, какое оборудование нужно подключить. Выходы постоянного тока с уровнем напряжения 12 – 28 В понадобятся для подключения специального автооборудования: магнитол, ТВ-приемников, подогрева сидений, автохолодильников). USB-порты пригодятся для подзарядки мобильных устройств. Выходы в виде розеток потребуются для «универсального» подключения электроприборов. При этом типы розеток могут быть различны:

Также встречаются преобразователи напряжения, не рассчитанные на подключение потребителя 220 В, и преобразующие 24 В в 12 В и 12 В в 24 В – у таких устройств розеток нет.

Длина кабеля инвертора может достигать 100 м. С одной стороны, кабель длиной 10-100 м — это удобно: обеспечивает мобильность устройства, его можно переносить, не трогая аккумулятор. С другой стороны, не стоит забывать, что каждый кабель является слабым звеном электросистемы, так как на нем происходят потери мощности. Поэтому не стоит гнаться за длиной кабеля. Лучше обратите внимание на его качество – чем толще кабель, тем выше его сечение и меньше потерь электричества он будет создавать. Чем гибче кабель – тем качественнее его материалы и меньше вероятность повреждения от загибов.

Инверторы выпускаются в корпусах из различных материалов:

  • алюминий
  • алюминий и пластик
  • металл
  • металл и пластик
  • пластик

С точки зрения пассивного охлаждения лучше всего инверторы в алюминиевом корпусе – он обеспечивает максимальный отвод тепла. Но для инверторов с активным охлаждением (вентилятором в корпусе), где проблема отвода тепла решена, лучшим вариантом будет корпус из стали – как более прочный. Комбинированные корпуса из алюминия+пластик или стали+пластик тоже хороший вариант, а вот корпус из одного пластика допустим только для маломощного прибора.

Устанавливать любой инвертор в машине необходимо так, чтобы обеспечивалось его охлаждение, то есть он не должен быть закрыт. Засунуть работающий инвертор в бардачок или в кейс – не лучший вариант.

В недорогом ценовом сегменте до 1400 рублей вы найдете инверторы небольшой мощности – до 200 Вт, с модифицированной синусоидой, рассчитанные на подключение к прикуривателю и питание мелких приборов.

В среднем ценовом сегменте от 1400 до 5000 рублей уже встретятся приборы помощнее – до 800 Вт, рассчитанные по большей части на подключение к аккумулятору, но все с той же модифицированной синусоидой.

В дорогом ценовом сегменте от 5000 и выше можно найти приборы как с чистым синусом, так и с модифицированным, но высокой мощности – до 5000 Вт.

Можно подвести итог: при выборе инвертора, не гонитесь за высокой мощностью прибора, т.к. все остальное оборудование может не вывезти такую нагрузку. Лучше обратите внимание на качество сборки, комплектующие и материалы. Стоить хороший качественный прибор даже средней мощности не будет дешево. Для некоторых видов оборудования подойдет инвертор только с чистым синусом на выходе. Не поленитесь рассчитать нагрузку перед подключением – и у вас не будет неприятных сюрпризов в последствии.

Низковольтный инвертор для зарядки конденсаторов

Портативное устройство для зарядки конденсаторов.

Чтобы магнитный ускоритель масс стал полноценным оружием, его применимость не должна зависеть от наличия под рукой розетки. Для этого требуется изготовить устройство, преобразующее напряжение от нескольких батареек или аккумуляторов в высокое напряжение для заряда конденсаторов.

Существует множество разнообразных конструкций преобразователей напряжения, и у всех из них есть свои достоинства и недостатки.

Рассмотрим довольно простой, но эффективный преобразователь напряжения на основе однотранзисторного автогенератора с индуктивной обратной связью.

Его упрощенная электрическая схема выглядит следующим образом:

Как видно, на коллектор транзистора n-p-n типа через первичную обмотку трансформатора поступает ток от источника питания. При нарастании этого тока в трансформаторе возникает переменное магнитное поле, которое создает в 2х остальных обмотках ток противоположной направленности. Обмотка обратной связи через резистор соединена с базой транзистора и возникающий в ней ток закрывает транзистор. Ток через первичную обмотку начинает падать, от чего транзистор снова начинает открываться. Таким образом в цепи возникают самоподдерживающиеся незатухающие колебания и в многовитковой вторичной обмотке появляется переменное высокое напряжение, которое через выпрямитель и резистор можно использовать для заряда конденсаторов.

Читайте также  Бортовой компьютер на avr микроконтроллере

Однако у этой схемы есть ряд недостатков. Когда я её собрал, она у меня работала плохо, недолго и не могла выдавать большую мощность на нагрузку.

.. .Я заново перемотал пробитый трансформатор и, как отважный спец в схемотехнике, принялся за доработку схемы. В цепь “обмотка ОС – резистор – база” вместо резистора был последовательно включен маленький конденсатор на 100пФ (впоследствии емкость этого конденсатора была увеличена до 200пФ). База через резистор 3,9К ( затем был увеличен до 6,8К ) была подсоединена к плюсу источника питания. Транзистор был установлен на радиатор, так как без последнего после 20-30 секунд работы схемы, на транзисторе уже можно жарить яичницу (скажу честно — про яичницу не уверен, но пальцы я себе обжег не хуже паяльника). Полученная схема обладает высокой стабильностью и устойчивостью автогенерации и дает на выходе напряжение примерно 1000-1500в и ток в 5мА, а её принципиальная электрическая схема приобрела следующий вид:

Однако на отличный результат это никак не тянуло – расчетное выходное напряжение должно было быть 250в, а в реальности было целых полтора киловольта! Вы можете спросить – откуда же взялось лишнее, да ещё и такое больше напряжение и что с ним делать? Все очень просто. Дело в том, что закон коэффициента трансформации справедлив лишь для синусоидальных колебаний тока и напряжения! Вполне очевидно, что в данном случае колебания далеки от синусоиды. Характер колебаний в подобных схемах определяется режимом работы транзистора. Если транзистор работает в режима “А” – т.е. его входной сигнал на базе целиком укладывается в пределах линейного участка проходной вольт амперной характеристики (ВАХ), то колебания в цепи синусоидальные.

Если же входной сигнал большой и выходит за пределы линейного участка, то транзистор работает в режиме отсечки и колебания на его выходе представляют собой последовательность прямоугольных импульсов. Взгляните на графики и вам все станет понятно.

Но как все это влияет на выходное напряжение схемы? Очень просто. Как известно, ток во вторичной обмотке тем больше, чем быстрее изменяется ток в первичной обмотке, т.е. пропорционален производной от напряжения в первичной обмотке. Если производная от синусоиды тоже является синусоидой с такой же амплитудой (в трансформаторе величина напряжения умножается на коэффициент трансформации N), то с прямоугольными импульсами дело обстоит иначе. На переднем и заднем фронте трапециевидного импульса скорость изменения напряжения очень высока и производная в этом месте тоже имеет большое значение, отсюда и возникает высокое напряжение.

Достоинство это или недостаток – решать вам. С одной стороны, использование режима отсечки позволяет использовать трансформатор с меньшим количеством витков во вторичной обмотке – наматывать такой гораздо проще. Однако КПД преобразователя в режиме отсечки невысок. Чтобы транзистор работал в линейном режиме необходимо в цепь обратной связи последовательно с конденсатором и обмоткой включить резистор. Величину резистора придется подбирать – попробуйте подключить переменный резистор и увеличивать его сопротивление до тех пор, пока напряжение на выходе не уменьшится до расчетного значения. Затем измерьте сопротивление переменного резистора и взамен него поставьте постоянный на аналогичное сопротивление. КПД преобразователя в таком случае будет гораздо выше. Правда, не буду от вас скрывать, что вышеописаный способ настойки генератора малоэффективен и довольно сложен. Для эффективного решения проблемы необходимо дополнить схему цепью отрицательной обратной связи на основе стабилитрона и полевого транзистора, которая будет автоматически уменьшать коэффициент усиления основного транзистора, если напряжение на выходе превышает номинальное значение. Описывать эту схему я пока не буду (потому, как в принципе можно обойтись без этого геморроя, к тому же, ООС снизит выходную мощность), но если очень захочется — можете разработать её сами.

Так же имеет значение, какой выпрямитель вы будете использовать на выходе преобразователя. Однополупериодный выпрямитель из одного диода предпочтителен при работе генератора в режиме отсечки. Для линейного режима лучше использовать мостовой выпрямитель. Так же следует подобрать ограничительное сопротивление – если оно будет слишком велико – то время заряда конденсаторов будет очень большим, если сопротивления не будет вообще – то работа генератора может нарушаться (т.к. в момент начала заряда конденсаторов генератор фактически закорочен на выходе) и его выходное напряжение может оказаться столь малым, что зарядившись до определенного уровня конденсаторы и вовсе перестанут заряжаться дальше от генератора. На выходе сразу после выпрямителя очень неплохо поставить конденсатор на 0,1мкФ. Ведь преобразователь работает на частоте десятки килогерц, а электролитические конденсаторы нашей электромагнитной пушки обладают довольно ощутимой инертностью, поэтому «впитывают» последовательность высокочастоных импульсов гораздо хуже, чем ровное постоянное напряжение.

Кроме того, для повышения мощности преобразователя на его входе параллельно источнику питания необходимо поставить электролитический конденсатор на 220 — 470мкФ. Так же для повышения мощности можно использовать спаренный транзистор – соединить параллельно два транзистора, спаяв их выводы один к одному. Общее сопротивление транзисторов будет меньше, ток больше и мощность больше.

И напоследок кратко опишу характеристики моего преобразователя, собранного по вышеописанной схеме и работающего в режиме отсечки. Источник первичного питания: 6 щелочных элементов Varta – суммарное напряжение 9в, ток при КЗ 11А. Транзистор – КТ805АМ в пластиковом корпусе установленный на радиатор. Трансформатор – на Ш — образном ферритовом сердечнике, первичная обмотка – 12 витков, вторичная – 340 витков проводом 0,2 ПЭЛ, обмотка ОС – 4 витка. Потребляемый ток – 800мА, максимальный выходной ток при КЗ — 30мА. Выходное напряжение при ХХ – 1500в, при нагрузке – 100в (недобор напряжения вызван недостаточной емкостью конденсатора в цепи ОС). Эффективная выходная мощность (на основе оценки скорости заряда батареи конденсаторов от сетевого блока питания с выходной мощностью 7Вт и времени заряда конденсаторов от преобразователя напряжения) составляет примерно 0,25 Вт, Это вызвано тем, что преобразователь работает в режиме отсечки, в будущем надеюсь поднять выходную мощность до 4-5Вт .

Высоковольтные источники питания для зарядки конденсаторов

Источники напряжения для зарядки конденсаторов FuG серия HCK

Напряжение, В 2000-65000
Мощность, Вт 200-20000

Цена от: 470 795 руб.

Типы источников питания

Серия V max A max P max Высота Ширина Длина Вес
HCK 100-2000 2 kV 100 mA 100 W 443 mm 133 mm 350 mm 6 kg
HCK 200-2000 2 kV 200 mA 200 W 443 mm 133 mm 350 mm 7 kg
HCK 400-2000 2 kV 400 mA 400 W 443 mm 133 mm 350 mm 11 kg
HCK 800-2000 2 kV 800 mA 800 W 443 mm 133 mm 450 mm 12 kg
HCK 1600-2000 2 kV 1.6 A 1.6 kW 443 mm 266 mm 650 mm 25 kg
HCK 2500-2000 2 kV 2.5 A 2.5 kW 443 mm 266 mm 650 mm 40 kg
HCK 5000-2000 2 kV 5 A 5 kW 600 mm 399 mm 650 mm 75 kg
HCK 7500-2000 2 kV 7.5 A 7.5 kW 600 mm 535 mm 650 mm 110 kg
HCK 10000-2000 2 kV 10 A 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 240 kg
HCK 20000-2000 2 kV 20 A 20 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 360 kg
HCK 100-3500 3.5 kV 50 mA 100 W 443 mm 133 mm 350 mm 6 kg
HCK 200-3500 3.5 kV 100 mA 200 W 443 mm 133 mm 350 mm 7 kg
HCK 400-3500 3.5 kV 200 mA 400 W 443 mm 133 mm 350 mm 11 kg
HCK 800-3500 3.5 kV 400 mA 800 W 443 mm 133 mm 450 mm 12 kg
HCK 1600-3500 3.5 kV 800 mA 1.6 kW 443 mm 266 mm 650 mm 40 kg
HCK 2500-3500 3.5 kV 1.4 A 2.5 kW 443 mm 266 mm 650 mm 40 kg
HCK 5000-3500 3.5 kV 2.8 A 5 kW 600 mm 399 mm 650 mm 75 kg
HCK 7500-3500 3.5 kV 4.2 A 7.5 kW 600 mm 535 mm 650 mm 110 kg
HCK 10000-3500 3.5 kV 5.7 A 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 240 kg
HCK 20000-3500 3.5 kV 11 A 20 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 360 kg
HCK 100-6500 6.5 kV 30 mA 100 W 443 mm 133 mm 350 mm 6 kg
HCK 200-6500 6.5 kV 60 mA 200 W 443 mm 133 mm 350 mm 7 kg
HCK 400-6500 6.5 kV 120 mA 400 W 443 mm 133 mm 350 mm 11 kg
HCK 800-6500 6.5 kV 250 mA 800 W 443 mm 133 mm 450 mm 12 kg
HCK 1600-6500 6.5 kV 500 mA 1.6 kW 443 mm 266 mm 650 mm 35 kg
HCK 2500-6500 6.5 kV 750 mA 2.5 kW 443 mm 266 mm 550 mm 40 kg
HCK 5000-6500 6.5 kV 1.5 A 5 kW 600 mm 399 mm 650 mm 75 kg
HCK 7500-6500 6.5 kV 2.3 A 7.5 kW 600 mm 535 mm 650 mm 110 kg
HCK 10000-6500 6.5 kV 3 A 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 240 kg
HCK 20000-6500 6.5 kV 6 A 20 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 360 kg
HCK 100-12500 12.5 kV 15 mA 100 W 443 mm 133 mm 350 mm 6 kg
HCK 200-12500 12.5 kV 30 mA 200 W 443 mm 133 mm 450 mm 7 kg
HCK 400-12500 12.5 kV 60 mA 400 W 443 mm 133 mm 450 mm 11 kg
HCK 800-12500 12.5 kV 120 mA 800 W 443 mm 133 mm 450 mm 21 kg
HCK 1600-12500 12.5 kV 250 mA 1.6 kW 443 mm 311 mm 550 mm 35 kg
HCK 2500-12500 12.5 kV 400 mA 2.5 kW 443 mm 266 mm 650 mm 40 kg
HCK 5000-12500 12.5 kV 800 mA 5 kW 600 mm 399 mm 650 mm 75 kg
HCK 7500-12500 12.5 kV 1.2 A 7.5 kW 600 mm 535 mm 650 mm 110 kg
HCK 10000-12500 12.5 kV 1.5 A 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 240 kg
HCK 20000-12500 12.5 kV 3 A 20 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 360 kg
HCK 100-20000 20 kV 10 mA 100 W 443 mm 133 mm 350 mm 11 kg
HCK 200-20000 20 kV 20 mA 200 W 443 mm 133 mm 350 mm 12 kg
HCK 400-20000 20 kV 40 mA 400 W 433 mm 133 mm 450 mm 14 kg
HCK 800-20000 20 kV 80 mA 800 W 443 mm 177 mm 550 mm 25 kg
HCK 1600-20000 20 kV 160 mA 1.6 kW 443 mm 221 mm 550 mm 35 kg
HCK 2500-20000 20 kV 250 mA 2.5 kW 443 mm 310 mm 550 mm 40 kg
HCK 5000-20000 20 kV 500 mA 5 kW 600 mm 1500 mm 600 mm 120 kg
HCK 10000-20000 20 kV 1 A 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 240 kg
HCK 20000-20000 20 kV 2 A 20 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 360 kg
HCK 100-35000 35 kV 5 mA 100 W 443 mm 133 mm 350 mm 12 kg
HCK 200-35000 35 kV 10 mA 200 W 443 mm 133 mm 450 mm 12 kg
HCK 400-35000 35 kV 20 mA 400 W 433 mm 133 mm 550 mm 30 kg
HCK 800-35000 35 kV 40 mA 800 W 443 mm 177 mm 550 mm 30 kg
HCK 1600-35000 35 kV 80 mA 1.6 kW 443 mm 266 mm 650 mm 50 kg
HCK 2500-35000 35 kV 140 mA 2.5 kW 443 mm 310 mm 550 mm 50 kg
HCK 5000-35000 35 kV 280 mA 5 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 390 kg
HCK 10000-35000 35 kV 570 mA 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 450 kg
HCK 20000-35000 35 kV 1.1 A 20 kW 1200 mm 2000 mm 800 mm 720 kg
HCK 100-65000 65 kV 3 mA 100 W 443 mm 221 mm 450 mm 45 kg
HCK 200-65000 65 kV 6 mA 200 W 443 mm 221 mm 450 mm 50 kg
HCK 400-65000 65 kV 12 mA 400 W 433 mm 310 mm 550 mm 55 kg
HCK 800-65000 65 kV 25 mA 800 W 443 mm 310 mm 550 mm 60 kg
HCK 1600-65000 65 kV 50 mA 1.6 kW 443 mm 355 mm 550 mm 80 kg
HCK 2500-65000 65 kV 75 mA 2.5 kW 443 mm 443 mm 650 mm 120 kg
HCK 5000-65000 65 kV 150 mA 5 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 460 kg
HCK 10000-65000 65 kV 300 mA 10 kW 600 mm 2000 mm 800 mm 500 kg
HCK 20000-65000 65 kV 600 mA 20 kW 600 mm 1500 mm 600 mm 670 kg
  • Сетевое подключение:
Читайте также  Управляющая программа высокого уровня
До 800 Дж/с номинальной мощности: 230 В ±10% 47 Гц до 63 Гц;
Для номинальной мощности 1600 Дж/с и выше: 400 В ±10% 47 Гц до 63 Гц 3-фазная
  • Температура окружающей среды: 0°C до +40°C
  • Зарядная мощность

Указанная макс. зарядная мощность действительна для зарядки от «0» до номинального значения. Для зарядки частично разряженного конденсатора предусмотрена возможность подачи намного более высокой (до 2-х раз больше) зарядной мощности.

Специальные функции:

Мощность зарядки до 3—Дж/сек (при частичной разрядке в диапазоне от 8,5 до 12 кВ). Постоянная потребляемая мощность при питании от сети и импульсной выходной мощности. Модуль разработан и изготовлен в полном соответствии с техническим заданием, оснащен специально разработанным аналоговым интерфейсом с функциями экстенсивного управления и контроля.

Высоковольтная часть состоит из биполярных транзисторов с изолированным затвором и водяным охлаждением, управляемых по оптоволоконному кабелю.

Область применения:

Зарядка накопительного конденсатора модулятора на импульсном 10 МВт клистронном передатчике в ускорителе элементарных частиц.

Дополнительные возможности:

  • Аналоговое программирование
  • Аналоговое программирование, «плавающее»
  • Компьютерный интерфейс — IEEE 488, RS 232, RS 422, USB, LAN (Ethernet), Profibus DP (другое на заказ)
  • Переключатель изменения полярности до 1600 Дж/с поставляется по дополнительному заказу. Пожалуйста, укажите полярность в том случае, когда переключатель изменения полярности в заказ не входит.
  • Сбросной выключатель для вывода и нагрузки
  • Более высокая частота повторения
  • Встроенный или внешний разрядный контур для импульсного режима

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Схема зарядки ионистора (суперконденсатора) своими руками

Как зарядить суперконденсатор (ионистор)

Суперконденсаторы или ионисторы и их возможное использование в электромобилях, смартфонах и устройствах Интернета вещей в последнее время широко обсуждается, но сама идея создания суперконденсатора восходит к 1957 году, когда компания General Electric впервые провела эксперимент с целью увеличения емкости своего накопителя. За прошедшие годы технология суперконденсаторов значительно улучшилась, и сегодня они используются в качестве резервных батарей, солнечных батарей и других приложений, где требуется кратковременное повышение мощности. Многие ошибочно полагают, что ионисторы заменяют батареи в долгосрочной перспективе, но, по крайней мере, с современными технологиями суперконденсаторов – это не что иное, как конденсаторы с высокой емкостью зарядки.

В этой статье мы узнаем, как безопасно зарядить такие суперконденсаторы, разработав простую схему зарядного устройства, а затем использовать ее для зарядки нашего суперконденсатора, чтобы проверить, насколько он хорошо удерживает энергию. Подобно аккумуляторным элементам, суперконденсатор также можно комбинировать для формирования блоков питания, но подход к зарядке блока суперконденсаторов отличается и выходит за рамки данной статьи. Здесь будет использоваться простой и общедоступный суперконденсатор 1F емкостью 5,5 В, который выглядит как монета. Мы научимся заряжать такой суперконденсатор и использовать его в подходящих приложениях.

Сравнивая суперконденсатор с батареями или аккумуляторами, стоит сказать, что суперконденсаторы имеют низкую плотность заряда и худшие характеристики саморазряда, но все же с точки зрения времени зарядки, срока годности и цикла зарядки они превосходят батареи. В зависимости от наличия тока зарядки, суперконденсаторы могут заряжаться менее чем за минуту, а при правильном обращении они могут работать более десяти лет.

По сравнению с батареями суперконденсаторы имеют очень низкое значение ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), что позволяет более высокому значению тока течь в или из конденсатора, позволяя ему быстрее заряжаться или разряжаться при высоком токе. Но из-за этой способности работать с большим током, суперконденсатор следует заряжать и разряжать безопасно для предотвращения теплового разгона. Когда дело доходит до зарядки суперконденсатора, есть два золотых правила: конденсатор должен заряжаться с правильной полярностью и с необходимым напряжением, не превышающим 90% его полной емкости по напряжению.

Суперконденсаторы, представленные на рынке сегодня, обычно рассчитаны на 2,5 В, 2,7 В или 5,5 В. Подобно литиевому элементу, эти конденсаторы должны быть соединены последовательно или параллельно для образования высоковольтных аккумуляторных батарей. В отличие от батарей, конденсатор при последовательном соединении будет взаимно суммировать его общее номинальное напряжение, что делает необходимым добавление большего количества конденсаторов для формирования батарейных блоков приличного значения. В нашем случае у нас есть конденсатор 1F 5,5 В, поэтому зарядное напряжение должно составлять 90% от 5,5, что составляет около 4,95 В.

При использовании конденсаторов в качестве элементов накопления энергии для питания наших устройств важно определить энергию, запасенную в конденсаторе, чтобы предсказать, как долго устройство может быть запитано. Формулы для расчета энергии, накопленной в конденсаторе, могут быть заданы как E = 1 / 2CV2. Таким образом, в нашем случае для конденсатора 1F 5,5 В при полной зарядке накопленная энергия будет составлять E = (1/2)* 1 * 5.52 = 15 Джоулей.

Теперь, используя это значение, мы можем вычислить, как долго конденсатор может питать устройства, например, если нам нужно 500 мА при 5 В в течение 10 секунд. Тогда энергия, необходимая для этого устройства, может быть рассчитана по формулам Энергия = Мощность x Время. Здесь мощность рассчитывается по формуле P = VI, поэтому для 500 мА и 5 В мощность составляет 2,5 Вт. Тогда Энергия = 2,5 х (10/60 * 60) = 0,00694 Вт*ч или 25 Дж. Отсюда можно сделать вывод, что нам понадобится как минимум два таких конденсаторов, подключенных параллельно (15 + 15 = 30), чтобы получить блок питания в 30 Дж, которого будет достаточно для питания нашего устройства в течение 10 секунд.

Когда дело доходит до конденсатора и аккумуляторов, мы должны быть очень осторожны с их полярностью. Конденсатор с подключенной обратной полярностью, скорее всего, нагреется и поплавится, а может и разорваться в худшем случае. У нас есть конденсатор типа монеты, полярность которого обозначена маленькой белой стрелкой, как показано ниже.

Направление стрелки указывает направление тока. Вы можете думать об этом так: ток всегда течет от положительного к отрицательному полюсу, и, следовательно, стрелка начинается с положительной стороны и указывает на отрицательную сторону. Здесь мы создадим зарядное устройство, которое стабилизирует напряжение в величину 5,5 В от адаптера 12 В, и используем его для зарядки суперконденсатора. Напряжение на конденсаторе будет контролироваться с помощью компаратора операционного усилителя, и как только конденсатор будет заряжен, схема автоматически отключит суперконденсатор от источника напряжения. Звучит интересно, так что давайте начнем.

Полная принципиальная схема для этой цепи зарядного устройства суперконденсатора приведена ниже.

Схема питается от 12-вольтового адаптера; Затем мы используем LM317 для регулирования 5,5 В для зарядки нашего конденсатора. Но эти 5,5 В будут поданы на конденсатор через полевой МОП-транзистор, действующий в качестве переключателя. Этот переключатель замыкается только в том случае, если напряжение на конденсаторе составляет менее 4,86 В, поскольку конденсатор получает заряд и при повышении напряжения, переключатель размыкается и препятствует дальнейшей зарядке батареи. Сравнение напряжения выполняется с использованием операционного усилителя, и мы также используем PNP-транзистор BC557 для свечения индикаторного светодиода, когда процесс зарядки завершен. Показанная выше принципиальная схема разбита на сегменты ниже для объяснения.

Рассмотрим цепь со стабилизатором напряжения.

Резистор R1 и R2 используется для определения выходного напряжения LM317 на основе формулы Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Здесь мы использовали значения 1 кОм и 3,3 кОм для регулирования выходного напряжения 5,3 В, которое достаточно близко к 5,5 В. Теперь посмотрим на цепь компаратора.

Мы использовали ИС компаратора LM311 для сравнения значения напряжения суперконденсатора с фиксированным напряжением. Это фиксированное напряжение подается на второй вывод с использованием схемы делителя напряжения. Резисторы 2,2 кОм и 1,5 кОм дают напряжение 4,86 В от 12 В. Это 4,86 вольта по сравнению с опорным напряжением (напряжения конденсатора), который соединен с контактом 3. Когда опорное напряжение меньше, чем 4.86 В вывод 7 перейдет в высокий логический уровень 12 В с нагрузочным резистором 10 кОм. Это напряжение будет затем использоваться для управления полевым МОП-транзистором (MOSFET). Собственно, вот схема с MOSFET.

В данном случае IRFZ44N используется для подключения суперконденсатора к напряжению зарядки на основе сигнала от операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя поднимается до высокого уровня, он выводит 12 В на вывод 7, который аналогичным образом включает полевой МОП-транзистор через его базовый вывод, когда выход операционного усилителя понижается до 0 В, и МОП-транзистор открывается. У нас также есть PNP-транзистор BC557, который включит светодиод, когда MOSFET выключен, указывая, что напряжение на конденсаторе превышает 4,8 В.

Схема довольно проста и может быть собрана на макетной плате или довольно легко и быстро спаяна перфорированной плате, например, так: