Инверторные сварочные источники: принцип, работа, элементная база

Принцип построения и работа инверторных сварочных источников

Влияние рабочей частоты на габариты трансформатора

Трансформатор является необходимым элементом любого сварочного источника. Он понижает напряжение сети до уровня напряжения дуги, а также осуществляет гальваническую развязку сети и сварочной цепи. Известно, что размеры трансформатора определяются его рабочей частотой, а также качеством магнитного материала сердечника.

Примечание. При понижении частоты габариты трансформатора возрастают, а при повышении — уменьшаются.

Трансформаторы классических источников работают на относительно низкой частоте сети. Поэтому вес и габариты этих источников в основном определялись массой и объемом сварочного трансформатора.

В последнее время были разработаны различные высококачественные магнитные материалы, позволяющие несколько улучшить массогабаритные параметры трансформаторов и сварочных источников. Однако существенного улучшение этих параметров можно добиться только за счет увеличения рабочей частоты трансформаторов. Так как частота сетевого напряжения является стандартом и не может быть изменена, то повысить рабочую частоту трансформатора можно, используя специальный электронный преобразователь.

Блок-схема инверторного сварочного источника

Упрощенная блок-схема инверторного сварочного источника (ИСИ) изображена на рис. 1. Рассмотрим схему. Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается, а затем подается на электронный преобразователь. Он преобразует постоянное напряжение в переменное высокой частоты. Переменное напряжение высокой частоты трансформируется при помощи малогабаритного высокочастотного трансформатора. Затем напряжение выпрямляется и подается в сварочную цепь.

Рис. 1. Упрощенная блок-схема инверторного сварочного источника

Типы трансформаторов

Работа электронного преобразователя тесно связана с циклами перемагничивания трансформатора. Так как ферромагнитный материал сердечника трансформатора обладает нелинейностью и насыщается, то индукция в сердечнике трансформатора может расти лишь до какого-то максимального значения Bm.

После достижения этого значения сердечник необходимо размагнитить до нуля или перемагнитить в обратном направлении до значения

–Bm. Энергия может передаваться через трансформатор:

в цикле намагничивания;

в цикле перемагничивания;

в обоих циклах.

Определение. Преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в одном цикле перемагничивания трансформатора, называются однотактными.

Соответственно, преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в обоих циклах перемагничивания трансформатора, называются двухтактными.

Однотактный прямоходовый преобразователь

Преимущества однотактных преобразователей. Однотактные преобразователи получили наибольшее распространение в дешевых и маломощных инверторных сварочных источниках, рассчитанных на работу от однофазной сети. В условиях резко переменной нагрузки, каковой является сварочная дуга, однотактные преобразователи выгодно отличается от различных двухтактных преобразователей:

они не требует симметрирования;

они не подвержены такой болезни, как сквозные токи.

Следовательно, для управления этим преобразователем требуется более простая схема управления по сравнению с той, которая потребуется для двухтактного преобразователя.

Классификация однотактных преобразователей. По способу передачи энергии в нагрузку, однотактные преобразователи делятся на прямоходовые и обратноходовые (рис. 2). В прямоходовых преобразователях энергия в нагрузку передается в момент замкнутого состояния, а в обратноходовых в момент разомкнутого состояния ключевого транзистора VT. При этом, в обратноходовом преобразователе, энергия запасается в индуктивности трансформатора Т во время замкнутого состояния ключа и ток ключа имеет форму треугольника с нарастающим фронтом и крутым срезом.

Рис. 2. Типы однотактного преобразователя и соответствующие им формы тока ключа: а — обратноходовый преобразователь; б — прямоходовый преобразователь

Примечание. При выборе типа преобразователя ИСИ между прямоходовым и обратноходовым, предпочтение отдается прямоходовому однотактному преобразователю.

Ведь, не смотря на его большую сложность, прямоходовый преобразователь, в отличие от обратноходового, имеет большую удельную мощность. Это объясняется тем, что в обратноходовом преобразователе через ключевой транзистор протекает ток треугольной формы, а в прямоходовом — прямоугольной. Следовательно, при одном и том же максимальном токе ключа, среднее значение тока у прямоходового преобразователя получается в два раза выше.

Основными достоинствами обратноходового преобразователя является:

отсутствие дросселя в выпрямителе;

возможность групповой стабилизации нескольких напряжений. Эти достоинства обеспечивают преимущество обратноходовым преобразователям в различных маломощных применениях, каковыми являются источники питания различной бытовой телеи радиоаппаратуры, а также служебные источники питания цепей управления самих сварочных источников.

Трансформатор однотранзисторного прямоходового преобразователя (ОПП), изображенного на рис. 2, б, имеет специальную размагничивающую обмотку III. Эта обмотка служит для размагничивания сердечника трансформатора Т, который намагничивается во время замкнутого состояния транзистора VT.

В это время напряжение на обмотке III прикладывается к диоду VD3 в запирающей полярности. Благодаря этому размагничивающая обмотка не оказывает никакого влияния на процесс намагничивания.

После закрытия транзистора VT:

напряжение на обмотке III меняет свою полярность;

диод VD3 отпирается;

энергия, накопленная в трансформаторе Т, возвращается в первичный источник питания Uп.

Примечание. Однако на практике, из-за недостаточной связи между обмотками трансформатора, часть энергии намагничивания не возвращается в первичный источник. Эта энергия обычно рассеивается в транзисторе VT и демпфирующих цепочках (на рис. 2 не показаны), ухудшая общую эффективность и надежность преобразователя.

Косой мост. Указанный недостаток отсутствует в двухтранзисторном прямоходовом преобразователе (ДПП), который зачастую называют

«косой мост» (рис. 3, а). В этом преобразователе (благодаря введению дополнительного транзистора и диода) в качестве размагничивающей обмотки используется первичная обмотка трансформатора. Так как эта обмотка сама с собою полностью связана, то проблемы не полного возврата энергии намагничивания совершенно исключаются.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Рис. 3. Двухтранзисторный прямоходовый преобразователь (ДПП): а — принципиальная электрическая схема; б — процесс перемагничивания сердечника

Примечание. Общей особенностью всех однотактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с односторонним намагничиванием.

Магнитная индукция В (в трансформаторе с односторонним намагничиванием) может изменяется только в пределах от максимальной Bm до остаточной Br, описывая частную петлю гистерезиса.

Когда транзисторы VT1, VT2 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в прямом направлении (участок a-b на рис. 3, б).

Когда транзисторы VT1, VT2 заперты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD0. В этот момент, под действием ЭДС обмотки I, открываются диоды VD1, VD2. При этом через них протекает ток размагничивания сердечника трансформатора в обратном направлении (участок b-a на рис. 3, б).

Изменение индукции ∆В в сердечнике происходит практически от Bm до Br и значительно меньше значения ∆B= 2∙Bm, возможного для двухтактного преобразователя. Некоторый прирост ∆B можно получить с помощью введения немагнитного зазора в сердечник. Если сердечник имеет немагнитный зазор d, то остаточная индукция становится меньше, чем Br. В случае наличия немагнитного зазора в сердечнике, новое значение остаточной индукции можно найти в точке пересечения прямой, проведенной из начала координат под углом q, к кривой перемагничивания (точка B1 на рис. 3, б).

tgq = μ₀· l_c/d.

где μ₀ — магнитная проницаемость;

l_c — длина средней силовой магнитной линии магнитного сердечника, м;

d — длина немагнитного зазора, м.

Определение. Магнитная проницаемость — это отношение индукции B к напряженности H для вакуума (также справедливо и для немагнитного воздушного зазора) и является физической постоянной, численно равной μ0 = 4p∙10–7 Гн/м.

Величину tgq можно рассматривать как проводимость немагнитного зазора, приведенную к длине сердечника. Таким образом, введение немагнитного зазора эквивалентно введению отрицательной напряженности магнитного поля:

H1 = –B1/tgq.

Двухтактный мостовой преобразователь

Достоинства двухтактных преобразователей. Двухтактные преобразователи содержат большее количество элементов и требуют более сложных алгоритмов управления. Однако эти преобразователи обеспечивают меньшую пульсацию входного тока, а также позволяют получить большую выходную мощность и эффективность, при одинаковой мощности дискретных ключевых компонентов.

Схема двухтактного мостового преобразователя. На рис. 4, а изображена схема двухтактного мостового преобразователя. Если сравнивать этот преобразователь с однотактными, то он ближе всего к двухтранзисторному прямоходовому преобразователю (рис. 3). Двухтактный преобразователь легко в него преобразуется, если убрать пару транзисторов и пару диодов, расположенных по диагонали (VT1, VT4, VD2, VD3 или VT2, VT3, VD1, VD4).

Примечание. Таким образом, двухтактный мостовой преобразователь является комбинацией двух однотактных преобразователей, работающих поочередно. При этом энергия в нагрузку передается в течение всего периода работы преобразователя, а индукция в сердечнике трансформатора может меняться от –Bm до +Bm.

Как и в ДПП, диоды VD1—VD4 служат для возврата энергии, накопленной в индуктивности рассеяния Ls трансформатора Т, в первичный источник питания U_п. В качестве этих диодов могут быть использованы внутренние диоды MOSFET.

Принцип действия. Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Рис. 4. Двухтактный мостовой преобразователь (ДМП):

а — принципиальная схема; б — процесс перемагничивания сердечника

Примечание. Общей особенностью всех двухтактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с симметричным перемагничиванием.

Магнитная индукция В, в сердечнике трансформатора с симметричным перемагничиванием, может изменяется в пределах от отрицательно

–Bm до положительной +Bm максимальной индукции.

В каждом полупериоде работы ДМП открыты два ключа, расположенные по диагонали. В паузе все транзисторы преобразователя обычно закрыты, хотя существуют режимы управления, когда некоторые транзисторы преобразователя остаются открытыми и в паузе.

Сосредоточимся на режиме управления, при котором в паузе все транзисторы ДМП закрыты.

Когда транзисторы VT1, VT4 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп, через трансформатор Т, передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном обратном направлении (участок b-a на рис. 4, б).

В паузе, когда транзисторы VT1, VT4 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент одна из вторичных обмоток (IIа или IIb) трансформатора Т замкнута накоротко через открытый диод VD7 и один из выпрямительных диодов (VD5 или VD6). В результате этого индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется.

После завершения паузы открываются транзисторы VT2, VT3 преобразователя, и энергия источника питания Uп, через трансформатор Т, передается в нагрузку.

При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном прямом направлении (участок a-b на 4, б). В паузе, когда транзисторы VT2, VT3 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется и фиксируется на достигнутом положительном уровне.

Примечание. Из-за фиксации индукции в паузах сердечник трансформатора Т способен перемагничиваться только в моменты открытого состояния диагонально расположенных транзисторов.

Чтобы в этих условиях избежать одностороннего насыщения необходимо обеспечить равное время открытого состояния транзисторов, а также симметричность силовой схемы преобразователя.

Элементная база инверторных сварочных источников

ШиМ-контроллеры

Микросхема TDA4718A. Ранее мы познакомились с принципиальноблочной схемой инверторного сварочного источника RytmArc, а теперь рассмотрим блок управления (БУ) этого же источника.

БУ позволяет регулировать сварочный ток, а также формирует внешнюю нагрузочную характеристику сварочного источника путем контроля напряжения и тока в нагрузке и формирования соответствующего ШИМ управляющего сигнала для прямоходового преобразователя. Кроме этого БУ осуществляет защитные функции, не допускающие повреждения элементов преобразователя от перегрева и перегрузки, в условиях резкоизменяющейся нагрузки источника.

БУ рассматриваемого источника выполнен на базе микросхемы (МС) TDA4718A фирмы Siemens.

Особенностями данной микросхемы являются:

возможность прямого управления циклом ШИМ;

двухтактный выход;

встроенная схема быстрого ограничения тока;

встроенная защита от повышенного и пониженного напряжения;

мягкий старт.

МС TDA4718A представляет из себя двухтактный ШИМ-контроллер и содержит все аналоговые и цифровые узлы, необходимые для построения импульсного источника питания. МС может быть использована с двухтактными трансформаторными, полумостовыми и мостовыми, а также с однотактными обратно и прямо ходовыми преобразователями.

На рис. 5 показан вариант схемотехнического изображения ШИМконтроллера TDA4718A. В табл. 1 представлены нумерация и обозначения выводов микросхемы TDA4718A.

Таблица 1 Нумерация и обозначения выводов микросхемы TDA4718A

ножка	обозначение	функция
1	GND	Общий
2 3	RR CR	RC элементы задающие параметры ГПН
4	ICP	Отрицательный вход компаратора К2
5	ISC	Вход синхронизации
6 7	IUV IOV	Вход контроля понижения и повышения напряжения питания
8 9	−ID +ID	Отрицательный и положительный входы компаратора К7 быстродействующей токовой защиты
10 11	VRF +VS	Выход источника опорного напряжения Напряжение питания микросхемы
12 13	Q2 Q1	Двухтактные выходы с открытым коллектором
14	QSC	Выход синхроимпульсов
15	CSS	Вход мягкого старта
16	RT	Вывод подключения Rт ГУН
17	CF	Конденсатор фильтра
18	CT	Вывод подключения Cт ГУН

На рис. 6 показана блок-схема ШИМ-контроллера TDA4718A.

Рис. 5. Схемотехническое изображение ШИМконтроллера TDA4718A

Генератор, управляемый напряжением (ГУН). ГУН генерирует пилообразное напряжение, частота которого зависит от напряжения на его управляющем входе CF. Среднее значение частоты, а также время нарастания и спада пилообразного напряжения, можно изменять с помощью резистора Rт и конденсатора Cт. В течение спада пилообразного напряжения ГУН формирует синхроимпульс с низким активным уровнем, который используется для синхронизации внутренних и внешних узлов.

Генератор пилообразного напряжения (ГПН). ГПН запускается сигналом ГУН и работает на одинаковой с ним частоте. Выходное напряжение ГПН поступает на отрицательный вход компаратора К2, где его нарастающий фронт используется для управления шириной выходных импульсов. Наклон нарастающего фронта напряжения ГПН задается током Irr, который задается напряжением внешнего источника Virr и сопротивлением Rr. Изменяя Irr можно напрямую воздействовать на цикл формирования ШИМ сигнала. Возможность прямого управления циклом может быть использована, например, для компенсации возмущения от нестабильности питающего напряжения.

Рис. 6. Блок-схема ШИМ-контроллера TDA4718A

Фазовый компаратор (ФК). ФК используется для частотной и фазовой синхронизации ГУН с внешним источником инхронизирующего напряжения. Если микросхема используется без внешней синхронизации, то выводы QSC и ISC необходимо соединить. В этом случае на управляющем входе ГУН устанавливается напряжение необходимое для генерации средней расчетной частоты.

Счетный триггер. Счетный триггер изменяет свое состояние по отрицательному фронту входного импульса. Это гарантирует, что только один выход из двух будет разрешен.

Компаратор К2. Из двух положительных входов компаратора с отрицательным входом сравнивается тот, на котором более низкий уровень. Как только величина нарастающего фронта пилообразного напряжения на отрицательном входе компаратора превысит минимальный уровень на положительных входах компаратора, оба выхода будут заблокированы посредством сброса отключающего триггера. Время, в течение которого выходы заблокированы, может изменяться в широких пределах. Так как частота постоянна, то это позволяет осуществлять широтно-импульсную модуляцию состояния выходов МС.

Отключающий триггер. Отключающий триггер разрешает выходы в начале каждого полупериода. Если есть сигнал с компаратора быстрого ограничения тока К7 или с компаратора К2, то выходы немедленно переводятся в отключенное состояние.

Компаратор К3. Компаратор К3 ограничивает напряжение на конденсаторе мягкого старта Css, а также на одном из входов компаратора К2, на максимальном уровне +5 В. Напряжение ГПН, впрочем, может подниматься до 5,5 В. Поэтому, для соответствующего наклона нарастающего фронта напряжения ГПН, можно ограничить время открытого состояния выходных ключей.

Компаратор К4. Компаратор К4 имеет порог переключения +1,5 В и устанавливает триггер ошибки, если напряжение на конденсаторе Css меньше 1,5 В. Но триггер ошибки может быть установлен только если отсутствует сигнал сброса. Эта особенность позволяет удерживать выходы МС в закрытом состоянии, пока присутствует сигнал ошибки.

Мягкий старт. Положительный вход компаратора К2 с меньшим уровнем задает время открытого состояния активного выходного ключа. После включения напряжение на конденсаторе Css равно нулю. Пока нет ошибки, этот конденсатор заряжается током 6 мкА до максимального напряжения +5 В.

В случае ошибки конденсатор разряжается током 2 мкА. Как только напряжение на конденсаторе Css понизится ниже 1,5 В, триггер ошибки будет установлен и выходы будут разрешены, если исчезло условие ошибки. Минимальное напряжение пилообразного напряжения ГПН равно 1,8 В и поэтому время открытого состояния выходных ключей будет непрерывно и линейно увеличиваться, как только напряжение на конденсаторе Css превысит 1,8 В.

Триггер ошибки. Сигнал ошибки, подведенный к входу R триггера, вызывает немедленное запирание выходов и после того, как ошибка устранена, включает мягкий старт.

Компараторы К5, К6, К8 и Перегрузка по току VRF. Эти компараторы являются датчиками ошибок и посредством триггера ошибок немедленно блокируют выходы МС, если ошибка произошла. После устранения ошибки МС снова включается через мягкий старт.

Компаратор К7. Компаратор позволяет определять перегрузку по току. Это объясняет тот факт, что оба входа компаратора выведены наружу МС. После устранения перегрузки возврат к нормальной работе происходит уже в следующем полупериоде, без мягкого старта. К7 имеет диапазон рабочих входных синфазных напряжений от 0 до +4 В. Задержка срабатывания между возникновением перегрузки и блокировкой выходов — 250 нс.

Выходы. Оба выхода представляют собой транзисторные ключи с открытым коллектором и работают в двухтактном режиме. Активный уровень ключей низкий. Время, в течение которого один из ключей находится в открытом состоянии, может изменяться в широких пределах. Время, в течение которого оба выхода заблокированы, равно длительности спада пилообразного напряжения ГУН.

Опорное напряжение. На выходе VRF МС формирует термостабильное напряжение +2,5 В, которое может быть использовано во внешних схемах компараторов, генераторов пилообразного напряжения и т. п.

Микросхема TL494. Микросхема TL494 является ШИМ контроллером импульсного источника питания и включает в себя все необходимые для этого блоки. TL494 производится многими мировыми производителями электронных компонентов, такими как Texas Instruments, ON Semiconductor, Motorola, Fairchild Semiconductor, Fujitsu, Samsung и т.д. Эта микросхема выпускается под своим оригинальным, а также под альтернативными названиями, такими как mPC494C, MB3759, KA7500B, IR3M02 и т.п. Отечественными аналогами TL494 являются микросхемы 1114ЕУ3 и 1114ЕУ4.

Основные особенности ШИМ контроллера TL494:

полный набор узлов необходимый для осуществления ШИМ управления;

открытые выходы для втекающего и вытекающего тока величиной до 200 мА;

возможность выбора однотактного или двухтактного режима работы;

встроенная схема подавления сдвоенных импульсов на выходе;

возможность регулировки длительности мертвого времени;

внутренний прецизионный источник опорного напряжения 5 В ±5%;

легко организуемая синхронизация нескольких контроллеров.

На рис. 7 показано схемотехническое изображение микросхемы TL494. В табл. 2 представлена нумерация и обозначения выводов.

Рис. 7. Схемотехническое изображение микросхемы TL494

Таблица 2 Нумерация и обозначения выводов микросхемы TL494

ножка	обозначение	функция
1 2	IN1 −IN1	Прямой и инвертирующий входы первого усилителя ошибки
3	FB	Выход обратной связи
4	DTC	Вход установки «мертвого» времени
5 6	CT RT	RC элементы, задающие частоту внутреннего генератора
7	GND	Общий вывод
8 9	CT1 ET1	Открытый коллектор и эмиттер транзистора первого выходного канала
10 11	ET2 CT2	Открытый эмиттер и коллектор транзистора второго выходного канала
12	VCC	Вывод питания микросхемы
13	OCT	Выбор режима работы выходных каскадов (двухтактный/однотактный)
14	VRF	Выход источника опорного напряжения +5 В
15 16	−IN2 IN2	Прямой и инвертирующий входы второго усилителя ошибки

На рис. 8 изображена функциональная схема этой микросхемы.

RC генератор. ШИМ контроллер TL494 работает на фиксированной частоте, которая определяется внутренним RC генератором. Частота генератора программируется внешними резистором R_T и конденсатором C_T, подключаемыми к выводам R_T и C_T микросхемы.

Рис. 8. Функциональная схема микросхемы TL494

Конденсатор C_T заряжается стабильным током, величина которого программируется при помощи резистора Rт. Величину зарядного тока можно определить по формуле

I_зар≈ 3,65/R_T.

После того, как напряжение на конденсаторе достигает 3 В, он быстро разряжается до нуля, и процесс снова повторяется. На рис. 9 приведены графические зависимости частоты внутреннего генератора от номиналов частотозадающих элементов. Эту частоту можно ориентировочно определить по формуле

F_ген= 1,2/(R_T´C_T).

Предусмотрена возможность синхронизации частоты генераторов нескольких ведомых контроллеров с частотой генератора ведущего контроллера. В качестве сигнала синхронизации используется напряжение на выводе C_T ведущего контроллера. Для переключения в подчиненный режим, входы R_T ведомых контроллеров подключается к выходу источника опорного напряжения VRF, а пилообразное напряжение синхронизации подается на входы C_T. При этом частотозадающий конденсатор C_Т подключен только к входу C_T ведущего контроллера.

Рис. 9. Частота генератора и ее температурный дрейф в зависимости от величин RТ и CТ

Усилители ошибки. TL494 содержит два усилителя ошибки, работающих на общий выход FD. Уровень на выходе FD подтягивается к общему выводу GND при помощи источника тока 0,7 мА. Усилители допускают синфазное входное напряжение в диапазоне от –0,3 В до VCC–2 В.

Компаратор ШИМ. Компаратор ШИМ используется для широтноимпульсной модуляции выходного сигнала. На прямой вход компаратора подается напряжение с выхода усилителей ошибки, а на инверсный вход пилообразное напряжение с RC генератора. Заполнение выходных импульсов компаратора уменьшается при возрастании уровня напряжения на выходе FB и становится нулевым, когда этот уровень больше 3,7 В.

Для гарантированного получения максимального заполнения ШИМ сигнала, пилообразное напряжение генератора сдвинуто в плюс на 0,7 В. При этом максимальное заполнение выходных импульсов компаратора ШИМ получается, когда напряжение FB меньше 0,7 В.

Компаратор «мертвого» времени. Для полного выключения транзисторам двухтактного преобразователя требуется некоторое время. Поэтому для исключения сквозных токов в стойках двухтактного преобразователя между противофазными импульсами управления транзисторами вводят специальную паузу, которая называется «мертвым» временем (dead time).

В течение этого времени все транзисторы преобразователя выключены. Для формирования «мертвого» времени используется специальный компаратор «мертвого» времени. Относительная длительность «мертвого» времени может регулироваться напряжением, подаваемым на вход DTC, который подключен к прямому входу этого компаратора. На инверсный вход компаратора подается пилообразное напряжение с генератора.

Для получения «мертвого» времени даже при нулевом напряжения на входе DTC потенциал прямого входа компаратора сдвинут в плюс на 0,1 В. При этом минимальная относительная длительность «мертвого» времени составляет примерно 5% от длительности периода RC генератора.

Распределительный триггер. Распределительный триггер построен на D-триггере и представляет собой делитель частоты на два. Этот триггер осуществляет поочередное распределение ШИМ сигнала на выходные каскады. Синхронизация триггера осуществляется при помощи ШИМ сигнала, который формируется при помощи логического элемента (далее просто элементы) И, на входы которого заводятся сигналы с компаратора ШИМ и компаратора «мертвого» времени.

Противофазные логические уровни с выхода триггера через элементы И, поступают на элементы ИЛИ-НЕ выходных каскадов. Вход OCT позволяет выбирать однотактный или двухтактный режим работы контроллера. Для выбора двухтактного режима, необходимо OCT подключить к VRF. В этом случае уровни с выхода триггера через элементы И поступают на элементы ИЛИ-НЕ выходных каскадов и поочередно блокируют их работу.

Для выбора однотактного режима, необходимо OCT подключить к GND. В этом случае уровни с выхода триггера блокируются и выходные каскады одновременно активны.

Внимание. В двухтактном режиме рабочая частота преобразователя в два раза ниже частоты RC-генератора. Соответственно, в однотактном режиме, рабочая частота преобразователя равна частоте RC-генератора.

Выходной каскад. Выходной каскад контроллера TL494 представляют из себя элемент ИЛИ-НЕ, который управляет выходным транзистором. На один из входов элемента ИЛИ-НЕ заведен ШИМ сигнал, а на другой сигнал блокировки с выхода распределительного триггера. Выходной транзистор открыт, если оба этих сигнала имеют низкий логический уровень. Эмиттер и коллектор выходного транзистора выведены к внешним ножкам микросхемы. Благодаря этому, возможны два варианта включения этого транзистора, где он включен по схеме с общим эмиттером или общим коллектором.

Микросхема UC3525. ШИМ контроллер UC3525 содержит все узлы необходимые для постройки импульсных источников питания всех типов, с применением минимального количества навесных компонентов. На рис. 10 приведено схемотехническое изображение этой микросхемы.

Рис. 10. Схемотехническое изображение UC3525

UC3525 производится многими мировыми производителями электронных компонентов, такими как Texas Instruments, ON Semiconductor, Motorola, Fairchild Semiconductor, Fujitsu, Linear Technology и т. д. Эта микросхема выпускается под своим оригинальным, а также под альтернативными названиями, такими например как KA3525A, SG3525A, LM3525, LT3525 и т.п.

Основные характеристики:

напряжение питания в диапазоне от 8 до 35 В;

внутренний источник опорного напряжения

+5,1 В, настроенный с точностью 1%;

задающий генератор, работающий в диапазоне от 100 Гц до 500 кГц;

наличие специального входа синхронизации генератора;

настраиваемое «мертвое» время;

встроенная схема мягкого старта;

поцикловое отключение;

вход блокировки от пониженного напряжения питания, имеющий гистерезис;

наличие триггера ШИМ, который предотвращает многократные срабатывания в течение одного импульса;

квазикомплементарные выходные каскады.

На основе микросхемы широтно-импульсного модулятора UC1525A можно строить устройства управления любыми типами импульсных источников питания с минимальным количеством внешних навесных компонентов. На рис. 11 изображена блок-схема микросхемы UC3525.

Источник опорного напряжения (ИОН). Микросхема содержит внутренний прецизионный источник опорного напряжения +5,1 В, который в процессе производства настроен с точностью 1%. Выход источника опорного напряжения, без каких-то резистивных делителей напряжений, может непосредственно подключаться к оному из входов усилителя ошибки.

Генератор. Период колебания генератора определяется суммарным временем зарядки и разрядки внешнего конденсатора C_T. Время зарядки настраивается при помощи внешних частотозадающих элементов R_T, C_T и определяется по графику, изображенному на рис. 12.

Время разрядки, а также «мертвое» время настраивается при помощи единственного резистора Rd, включаемого между выводами C_T и DIS. Зависимость времени разрядки для различных значений C_T и Rd изображена на рис. 13.

Рис. 11. Блок-схема микросхемы UC3525

Частоту генератора можно определить по графикам на рис. 12, рис. 13 или по упрощенной формуле:

.

Наличие входа синхронизации SyN позволяет синхронизировать несколько ведомых контроллеров тактовым сигналом, который формирует один ведущий контроллер на выходе OSC.

Усилитель ошибки. Усилитель ошибки (рис. 11) представляет собой источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), с максимальным выходным током 100 мкА. Выход усилителя ошибки подключен к внешнему выводу CPS и инвертирующему входу компаратора ШИМ.

Компаратор ШИМ. Компаратор ШИМ служит для формирования ШИМ сигнала. Он имеет один прямой и два инверсных входа. На прямой вход подается пилообразное напряжение с конденсатора C_T. На один инверсный вход подается напряжение с выхода усилителя ошибки, а на другой с выхода устройства мягкого старта. При этом преобладает вход с более низким уровнем напряжения.

Триггер ШИМ и счетный триггер. Триггер ШИМ используется для повышения помехоустойчивости канала формирования ШИМ и устраняет дребезг ШИМ сигнала при высокочастотных флуктуациях напряжения на входах CPS и CSS микросхемы. Триггер ШИМ сбрасывается в начале каждого периода ШИМ импульсом синхронизации с выхода генератора и устанавливается сигналом с выхода компаратора ШИМ.

Счетный триггер каждый раз меняет свое состояние по переднему фронту импульса синхронизации. При сбросе триггера ШИМ на одном из выходов OUA или OUB, определяемом счетным триггером, выводится высокий уровень. Соответственно, при установке триггера ШИМ, на обоих выходах OUA и OUB выводится низкий уровень.

Устройство мягкого старта. Микросхема UC3525 имеет встроенное устройство мягкого старта, для которого требуется только один внешний времязадающий конденсатор, подключаемый к входу CSS (конденсатор CSS). Вход SHD контролирует схему мягкого старта и выходные каскады, обеспечивая немедленное отключение через триггер ШИМ. Подача положительного напряжение на вывод выключения SHD позволяет выполнять две функции:

сбросив триггер ШИМ, блокировать ШИМ сигнал и быстро перевести выходы контроллера в неактивное состояние; начать разрядку внешнего CSS конденсатора.

Внешний конденсатор CSS заряжается током 50 мкА от внутреннего источника тока и разряжается суммарным током 100 мкА через разрядный транзистор. Если команда выключения короткая, ШИМ сигнал завершится без значительной разрядки CSS конденсатора. В этом случае можно достаточно удобно реализовать поцикловое ограничение тока.

Рис. 12. Время зарядки конденсатора CТ в зависимости от величины резистора RТ

Рис. 13. Время разрядки конденсатора CТ в зависимости от величины резистора Rd

Если команда выключения имеет длительность достаточную для разрядки CSS конденсатора, то следующее включение ШИМ контроллера произойдет с замедлением, в режиме «мягкого старта». Вывод SHD не должен оставаться не подключенным, т. к. это может привести к случайным отключениям, что нарушит нормальную работу ШИМ контроллера.

Блокировка понижения напряжения. Устройство мягкого старта также управляется блокировкой от понижения напряжения, которая удерживает выходы выключенными и конденсатор мягкого старта разряженным при пониженном питающем напряжении. Схема блокировки имеет гистерезис величиной примерно 0,5 В, позволяющий устранить дребезг переключения.

Выходные каскады. Квазикомплементарные выходные каскады позволяют формировать втекающий и вытекающий выходной ток величиной до 0,2 A. В микросхеме UC3525A выходная ступень представляет 4ИЛИ-НЕ логику, дающую низкий пассивный и высокий активный уровни напряжения на выходе.

В табл. 3 представлено функциональное назначение и нумерация выводов контроллера UC3525.

Функциональное назначение и нумерация

Таблица 3 выводов контроллера UC3525

ножка	обозначение	функция
1 2	IN− IN+	Входы усилителя ошибки
3	SYN	Вход внешнего сигнала синхронизации
4	OSC	Выход тактового сигнала внутреннего генератора, используемый для синхронизации ведомых контроллеров
5 6	CT RT	Выводы подключения конденсатора CT и резистора RT, задающих рабочую частоту генератора контроллера
7	DIS	Вывод подключения резистора, программирующего длительность «мертвого времени»
8	CSS	Вывод подключения конденсатора «мягкого старта»
9	CPS	Выход усилителя ошибки
10	SHD	Вывод выключения контроллера, с последующим циклом «мягкого старта«
11	OUA	Выход А контроллера
12	GND	Общий вывод питания контроллера
13	VC	Отдельный вывод питания выходных каскадов контроллера
14	OUB	Выход В контроллера
15	VCC	Вывод питания контроллера
16	VRF	Выход источника опорного напряжения +51В контроллера

Микросхема UC3845A. Основным производителем ШИМ-контроллера UC3845 является компания Texas Instruments. Однако этот контроллер под созвучными названиями производится многими другими компаниями. Отечественным аналогом этого контроллера является микросхема 1033ЕУ13. Микросхему UC3845 или ее аналоги можно без проблем обнаружить на прилавках любого городского магазина радиодеталей.

Микросхема UC3845 предназначена для использования в различных сетевых источниках питания и DC-DC преобразователях. Ее основные особенности:

малый пусковой ток (менее 1 мА);

программируемый ток разрядки конденсатора генератора;

ограничение тока в каждом импульсе;

улучшенные нагрузочные характеристики;

блокировка от понижения напряжения, имеющая гистерезис;

подавление сдвоенных импульсов;

мощный выходной каскад;

внутренний источник опорного напряжения;

возможность работа на частоте до 500 кГц;

усилитель ошибки с низким выходным сопротивлением.

Микросхема UC3845 содержит все аналоговые и цифровые узлы, необходимые для построения импульсных источников питания, работающих в токовом режиме. Стартовый ток контроллера гарантированно не превышает 1 мА. В течение блокировки от пониженного напряжения, выходной каскад способен потреблять из выходной цепи ток ≥ 10 мА, если напряжение VCC превышает 6,2 В.

На рис. 14 показан вариант схемотехнического изображения микросхемы UC3845. На рис. 15 показана блок-схема микросхемы ШИМ-контроллера UC3845. В табл. 4 представлена нумерация и обозначения выводов микросхемы.

Рис. 14. Схемотехническое изображение микросхемы UC3845

Таблица 4 Нумерация выводов микросхемы UC3845

ножка	обозначение	функция
1	CMP	Выход усилителя ошибки
2	VFB	Инвертирующий вход усилителя ошибки
3	ILM	Вход компаратора ШИМ
4	RC	Частотозадающий вход
5	GND	Общий вывод
6	OUT	Выход
7	VCC	Напряжение питания
8	VRF	Опорное напряжение

Рис. 15. Блок-схема микросхемы ШИМ-контроллера UC3845

Компаратор пониженного напряжения. Компаратор пониженного напряжения блокирует работу микросхемы UC3845, если ее напряжение питания опустилось ниже допустимого уровня. Компаратор имеет гистерезис срабатывания, благодаря которому исключается возможность беспорядочного включения/выключения микросхемы.

Средний уровень включения компаратора пониженного напряжения составляет 8,4 В, а уровень выключения — 7,6 В.

Если напряжение питания микросхемы превышает уровень включения, то компаратор включается, и высокий уровень с его выхода разрешает работу источника опорного напряжения. После появления опорного напряжения узел контроля опорного напряжения разрешает работу выходного каскада контроллера.

Если напряжение питания микросхемы опустилось ниже уровня выключения, то компаратор выключается, и низкий уровень с его выхода запрещает работу источника опорного напряжения. После этого, посредством узла контроля опорного напряжения, запрещает работы выходного каскада и на выходе OUT фиксируется низкий уровень.

Источник опорного напряжения. Источник опорного напряжения 5 В служит для выполнения нескольких важных функций. Например, это напряжение, деленное пополам (2,5 В) при помощи внутреннего делителя напряжения, прикладывается к не инвертирующему входу усилителя ошибки.

Кроме этого опорное напряжение используется для формирования токов смещения и внутренних порогов, таких как пороги генератора и порог ограничения максимального тока (1 В). Источник опорного напряжения имеет внешний вывод VRF, на котором присутствует напряжение 5 В.

Это напряжение может использоваться для различных целей, например, для формирования сигнала задания сварочного тока. Ток нагрузки источника опорного напряжения не должен превышать 20 мА. Для нормальной работы источника опорного напряжения к внешнему выводу VRF необходимо подключить керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Этот конденсатор располагается на минимально возможном расстоянии от выводов VRF и GND.

Генератор. Генератор позволяет настраивать рабочую частоту ШИМ сигнала и максимальное заполнение импульса, которое для микросхемы UC3845 не может превышать 50%.

Во время работы внешний конденсатор Cт, подключенный к выводу RC, заряжается током, определяемым резистором Rт, который подключен между выводами RC и VRF. После того как напряжение на конденсаторе достигает верхнего порога (примерно 3 В), внутренний триггер генератора переключается и начинается разрядка конденсатора.

Во время разрядки генератор формирует внутренний синхронизирующий импульс, который устанавливает триггер защелки ШИМ и принудительно фиксирует низкий уровень на выходе OUT.

Разрядка конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет напряжения (примерно 1,3 В). После этого внутренний триггер генератора возвращается в исходное состояние, при котором начинается новый цикл, и конденсатор снова заряжается.

Микросхема UC3845 имеет встроенный счетный триггер Т, который служит для ограничения максимального заполнения импульса на уровне 50%. Поэтому генератор должен работать на частоте в два раза превышающей частоту ШИМ сигнала. Максимальная частота генератора может достигать 500 кГц.

Усилитель ошибки. Усилитель ошибки служит для измерения и компенсации ошибки регулирования выходного напряжения преобразователя, построенного на микросхеме UC3845. Для этого неинвертирующий вход усилителя ошибки связан с внутренним пороговым напряжением 2,5 В.

Это напряжение является опорным и именно с ним сравнивается выходное напряжение преобразователя, которое через соответствующий делитель напряжения подается к инвертирующему входу усилителя ошибки, который подключен к выводу VFB. Это классическая схема использования усилителя ошибки.

Выход усилителя ошибки подключен к внешнему выводу CMP, который используется для подключения различных схем компенсации, позволяющих увеличить устойчивость системы регулирования выходного напряжения преобразователя.

Выходное напряжение усилителя ошибки через цепочку из двух последовательно включенных диодов и через делитель напряжения 2R/R, поступает на инвертирующий вход компаратора ШИМ.

Компаратор ШИМ. Модулятор ширины импульса, выполненный на компараторе ШИМ, по существу, сравнивает выход усилителя ошибки с выходным напряжением датчика тока. Это не прямое сравнение, т. к. между выходом усилителя ошибки и входом компаратора ШИМ включена цепочка, состоящая из двух диодом и делителя напряжения.

Диодная цепочка создает смещение напряжения, которое позволяет гарантированно получить нулевое заполнение импульса при низком напряжении на выходе усилителя ошибки.

Делитель снижает до допустимого уровня колебания напряжения на выходе усилителя ошибки. Стабилитрон, подключенный к инвертирующему входу компаратора ШИМ, ограничивает максимальное напряжение на этом входе и соответственно максимальный ток преобразователя на уровне, при котором датчик тока выдает напряжение 1 В. Таким образом, осуществляется защита по максимальному току.

Защелка ШИМ. RS-триггер защелки ШИМ используется для формирования ШИМ сигнала. Этот триггер устанавливается импульсом с генератора, который формируется во время разрядки конденсатора Cт, и сбрасывается сигналом с компаратора ШИМ, после того как напряжение сигнала поступающего с датчика тока превысит уровень напряжения на инвертирующем входе компаратора ШИМ.

Когда защелка ШИМ установлена, разрешается формирование высокого управляющего уровня на выводе OUT. Когда защелка ШИМ сброшена, на выводе OUT удерживается низкий уровень, близкий к потенциалу общего провода. ШИМ модуляция выходных импульсов микросхемы осуществляется изменением уровня напряжения на инвертирующем входе компаратора ШИМ.

Выходной каскад. Микросхема UC3845 имеет выходной каскад (драйвер), предназначенный для непосредственного управления мощным транзистором однотактного преобразователя.

Для управления MOSFET транзистором выходной каскад способен формировать импульсный управляющий втекающий и вытекающий ток амплитудой до 1 А. Выходной каскад микросхемы UC3845 также способен управлять биполярным транзистором.

Однако в этом случае средний втекающий и вытекающий ток не должен превышать 0,2 А. Для ограничения величины импульсного или среднего тока между выходом OUT и управляющим электродом транзистора включается резистор. Величина этого резистора определяется по закону Ома делением напряжения питания микросхемы на максимальный ток управления.

При работе выходного каскада на длинную цепь управления или первичную обмотку импульсного трансформатора, потенциал вывода OUT может кратковременно опускаться ниже потенциала общего провода. Этот процесс может привести к сбоям в работе микросхемы, а также к повреждению выходного каскада.

Совет. Для предотвращения отрицательных выбросов, между выводами OUT и GND микросхемы необходимо включать диод Шоттки, обращенный катодом к выводу OUT.

Транзисторы

Принцип замены элемента. Целью ремонта является поиск неисправного компонента и его замена. Однако зачастую случается так, что под рукой не оказывается нужного транзистора или диода. И в этом случае возникает необходимо подобрать для него достойную замену. При этом не имеет смысла искать полностью идентичный электронный компонент. Достаточно, чтобы замена была не хуже прототипа по основным параметрам.

MOSFET транзисторы. Рассмотрим основные параметры MOSFET транзисторов:

V_DSS — (Drain to Source Voltage) — максимальное напряжение стокисток;

V_GSS — (Gate to Source Voltage) — максимальное напряжение затвористок;

I_D — (Continuous Drain Current) — максимальный постоянный ток стока. Обычно этот параметр указывается для температуры 25°C;

I_DM — (Pulsed Drain Current) — импульсный ток стока. Этот параметр указывается для определенного заполнения и длительности импульса;

R_DS(on) — (Drain to Source On Resistance) — сопротивление канала стокисток в открытом состоянии. Этот параметр указывается для определенного напряжения на затворе, как правило 4,5 и 10 В;

V_GS(th) — (Gate to Source Threshold Voltage) — пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться канал стокисток;

P_D — (Power Dissipation) — максимальная рассеиваемая мощность.

Обычно этот параметр указывается для температуры 25°C.

В табл. 5 сведены характеристики на все MOSFET транзисторы, которые использованы в рассмотренных сварочных источниках.

Таблица 5 Параметры MOSFET транзисторов

тип транзистора	канал	VDSS, в	VGSS, B	ID,A	IDM, A	RDS(on), ом	VGS(th), B	PD, вт	корпус
2SK1157	N	450	±30	7	28	0,6	3,5	60	TO-220AB
2SK1158	N	500	±30	7	28	0,7	3,5	60	TO-220AB
2SK1167	N	450	±30	15	60	0,25	3,5	100	TO-247AC
2SK1168	N	500	±30	15	60	0,3	3,5	100	TO-247AC
2SK2611	N	900	±30	9	27	1,1	3,5	150	TO-247AC
2SK2698	N	500	±30	15	60	0,35	4	150	TO-247AC
2SK2837	N	500	±30	20	80	0,21	3,5	150	TO-247AC
IRFPE40	N	800	±20	5,4	22	2	4	150	TO-247AC
IRFP460	N	500	±20	20	80	0,27	4	280	TO-247AC
IRF640	N	200	±20	18	72	0,18	4	125	TO-220AB
IRFZ24	N	60	±20	17	68	0,1	4	60	TO-220AB
IRF9Z24	P	-60	±20	−11	44	0,28	−4	60	TO-220AB

IGBT транзисторы. Рассмотрим основные параметры IGBT транзисторов:

V_CES— (Collector to Emitter Breakdown Voltage) — максимальное напряжение коллектор-эмиттер;

V_GE — (Gate to Emitter Voltage) — максимальное напряжение затворэмиттер;

I_C — (Continuous Collector Current) — максимальный постоянный ток коллектора. Обычно этот параметр указывается для температуры 25°C;

I_СM — (Pulsed Collector Current) — импульсный ток коллектора. Этот параметр указывается для определенного заполнения и длительности импульса;

V_CE(on) — (Collector to Emitter Saturation Voltage) — напряжение насыщения коллектор эмиттер в открытом состоянии. Этот параметр указывается для определенного напряжения на затворе, как правило 15 В;

V_GE(th) — (Gate Threshold Voltage) — пороговое напряжение затвор-эмиттер при котором начинает открываться переход коллектор-эмиттер;

P_D — (Power Dissipation) — максимальная рассеиваемая мощность.

Обычно этот параметр указывается для температуры 25°C.

В табл. 6 сведены характеристики на все IGBT транзисторы, которые использованы в рассмотренных сварочных источниках.

Таблица 6 Параметры IGBT транзисторов

тип транзистора	канал	VCES, в	VGE, B	IC, A	ICM, A	VCE(on), B	VGE(th), B	PD, вт	корпус
HGTG20N60A4	N	600	±20	70	280	280	7	290	TO-220AB
HGTG30N60A4	N	600	±20	75	240	240	7	463	TO-247
IRG4PC50U	N	600	±20	55	220	220	6	200	TO-247AC

Мощные диоды

Рассмотрим основные параметры диодов:

V_R — (Cathode to Anode Voltage) — максимальное обратное напряжение на диоде;

I_F(AV) — (Continuous Forward Current) — максимальный прямой средний ток диода;

I_FSM — (Single Pulse Forward Current) — максимальный прямой импульсный неповторяющийся ток диода;

V_F — (Forward Voltage) — прямое напряжение на диоде;

trr — (Reverse Recovery Time) — время обратного восстановления диода.

В табл. 7 сведены характеристики всех мощных диодов, которые использованы в рассмотренных сварочных источниках.

Таблица 7 Параметры диодов

тип диода	VR, B	IO, A	IFSM, A	VF, B	trr, нс	корпус
30CPQ150	150	2x15	340	0,93	Schottky	TO-247AC
80EBU02	200	80	800	0,79	35	PowIRtab
150EBU02	200	150	1600	0,79	45	PowIRtab
BYG20G	400	1,5	30	1,4	75	DO-214
BYG20J	600	1,5	30	1,4	75	DO-214
BYT30PI-600	600	30	200	1,8	130	DOP3I
BYV54V-200	200	2×50	1000	0,8	60	SOT-227B
D20LC20U	200	2×10	150	0,98	35	ITO-3P
D92M-02R	200	2×10	100	0,95	40	ITO-3P
DSEP12-12A	1200	15	90	1,79	40	TO-220AС
F30U60DN	600	2×30	180	2,1	90	TO-220F
MUR860	600	8	100	1,2	60	TO-220AС
RURG3020C	200	2×30	325	0,85	45	TO-247
RHRG30120	1200	30	300	2,6	65	TO-247
RURP860	600	8	100	1,2	60	TO-220AС
STTH3010	1000	30	180	1,8	50	TO-220AС
STTH6003CW	300	2×30	300	1	55	TO-247
US1J	600	1	30	1,7	100	DO-214AC