Висока напруга і не лише. Висока напруга і не тільки Саморобний автомобільний перетворювач напруги 12 220в
Можна буквально із підручних матеріалів. За основу можна взяти навіть блоки від простого джерела безперебійного живлення – він, по суті, є подвійним перетворювачем – спочатку відбувається зниження напруги до 12, щоб забезпечити зарядку акумулятора.
А після проводиться підвищення напруги до 220 В, перетворення струму з постійного в змінний. Використовуватися подібні пристрої можуть для живлення побутової апаратури поза домом - дрилі, болгарки, телевізори і т. д. Виготовити самостійно такий пристрій нескладно, та й вийде собівартість його менше, ніж у аналогічних приладів, що продаються в магазинах.
Принцип роботи інвертора
Друга назва перетворювача – інвертор. По суті це з модуляцією широтно-імпульсного типу. Живлення виробляється від джерела постійної напруги 12 вольт (у разі - від акумулятора). На виході пристрою з'являються імпульси, які змінюють шпаруватість. Залежить від співвідношення часу, протягом якого є чи відсутня напруга. При шпаруватості, що дорівнює одиниці, на виході максимальне значення струму. При зменшенні шпару струм знижується.
Напруга в будь-який момент часу на виході становить 220 В. Навіть найпростіший перетворювач 12В 220В може працювати в широкому діапазоні частот - 50 кГц ... 5 МГц. Все залежить від конкретної схеми та застосовуваних у ній елементів. Частота напруги дуже висока, для живлення побутової апаратури вона виявиться згубною. Щоб зменшити її до стандартних 50 Гц, необхідно використовувати спеціальні конструкції трансформатори. ШИМ-модулятор дозволяє створити з постійної напруги змінну з необхідною частотою.
Система зворотного зв'язку
За відсутності навантаження у ШІМ-модулятора шпаруватість імпульсів на мінімальному рівні, значення напруги 220 В. Як тільки до пристрою буде підключено навантаження, то різко збільшиться струм і напруга впаде, воно виявиться менше 220 В. Якщо ви вирішили зробити перетворювач напруги з 12 на 220 вольт своїми руками, обов'язково враховуйте наявність зворотного зв'язку. Вона дозволяє порівнювати напругу на виході із еталонним значенням.
Якщо є різниця у напругах, то на генератор подається сигнал, який дозволяє збільшити шпаруватість імпульсів. За допомогою цієї системи виходить досягти максимальної потужності на виході і більш стабільної напруги. Як тільки навантаження буде відключено, напруга знову підстрибує вище 220 В - система зворотного зв'язку фіксує і зменшує значення шпаруватості імпульсів. І так доти, поки не вирівняється напруга.
Робота з сівшим АКБ
При зміні шпаруватості та значення вихідного струму відбувається збільшення навантаження на джерело живлення. Це призводить до його розряду та зниження напруги. І якщо застосовується система зворотного зв'язку, вона якнайсильніше збільшує шпаруватість сигналів, часом до максимуму - одиниці. Виготовлені своїми руками перетворювачі напруги 12/220 вольт без зворотного зв'язку дуже сильно реагують на акумулятори, що сів. Під час роботи обов'язково знижується значення вихідної напруги.
Якщо планується підключати таку техніку, як болгарки, електролампи, кип'ятильники чи чайники, то їх роботу зниження напруги не вплине. Але в тому випадку, якщо перетворювач потрібний для підключення телевізійної техніки, ноутбуків, комп'ютерів, серверів, підсилювачів, зворотний зв'язок просто необхідний. Вона дозволяє компенсувати всі стрибки напруги, що забезпечить стабільну роботу пристроїв.
Вибір схеми
Щоб виготовити своїми руками перетворювач напруги 12/220, потрібно вибрати конкретну схему. Причому обов'язково зважайте на потужність приладів, які плануєте підключати до нього. Прикиньте приблизно, яке навантаження живитиметься від інвертора. Обов'язково додайте до отриманої потужності ще 25% запас, зайвої не буде. З отриманих даних, можна вибирати конкретну схему. І, звичайно, один із важливих моментів – це
Оцініть свої фінансові можливості, якщо плануєте придбати всі компоненти. А вам знадобиться чимало дорогих елементів. На щастя, вони багато зустрічаються в сучасній техніці - в джерелах безперебійного живлення, БП комп'ютерів і ноутбуків. До речі, стандартний ДБЖ цілком можна використовувати як перетворювач напруги, навіть переробок не потрібно. Підключаєте потужніший акумулятор до нього і все. Але доведеться АКБ заряджати від додаткового джерела живлення – стандартний не зможе виробити потрібне значення струму.
Елементи схеми перетворювача
Стандартна конструкція інвертора для перетворення постійного струму напругою 12 В змінний 220 складається з таких елементів, які можна знайти в будь-якій сучасній техніці:
- ШИМ-модулятор – спеціальної конструкції мікроконтролер.
- Феритові кільця для виготовлення ВЧ-трансформаторів.
- Силові польові транзистори IGBT.
- Електролітичні конденсатори.
- Постійні опори різної потужності.
- Дроселі для фільтрації струму.
Якщо ви не впевнені у власних силах, можна самостійно зібрати перетворювач за схемою мультивібратора. Трансформатор для пристрою підійде від ДБЖ або блоку живлення транзисторних телевізорів. У такого пристрою один недолік - значні габарити. Але налаштувати його виявляється набагато простіше, ніж складні конструкції, що працюють із високочастотним струмом.
Експлуатація інверторів
Якщо ви зробити вирішили своїми руками перетворювач напруги 12/220 за простою схемою, то потужність у нього може бути невисокою. Але її цілком вистачить для живлення побутової апаратури. Але якщо потужність вища за 120 Вт, то струм споживання зростає до 10 ампер як мінімум. Отже, при використанні в автомобілі його включати в гніздо прикурювача не можна - всі дроти розплавляться і вийдуть із ладу запобіжники.
Тому автомобільні інвертори, потужність яких понад 120 Вт, обов'язково потрібно підключати до акумуляторної батареї за допомогою додаткового запобіжника та реле. Обов'язково прокладіть провід від АКБ до місця встановлення автомобільного інвертора. Для увімкнення перетворювача можна використовувати клавішний вимикач або кнопку в парі з електромагнітним реле - воно дозволяє прибрати високий струм від органів управління.
Напруги автомобілістам, оскільки в машині дуже часто може виникнути необхідність отримання напруги. Цей перетворювач може бути використаний для запитки паяльників, ламп розжарювання, кавоварок та інших пристроїв, що живляться від мережі 220 Вольт. Перетворювач може також живити активні навантаження - телевізор або DVD-плеєр, але варто помітити, що це досить небезпечно, оскільки робоча частота перетворювача досить сильно відрізняється від мережевих 50 Герц. Але, як відомо, у зазначених пристроях встановлені імпульсні блоки живлення, де мережна напруга випрямляється діодами. Ці діоди можуть випрямляти струм високої частоти, але повинен зауважити, що не у всіх імпульсних блоках можуть бути такі діоди, тому краще не ризикнути. Такий DC-AC перетворювач напруги можна зібрати за пару годин, якщо мати під рукою потрібні компоненти. Зменшена схема показана на ризику:
Трансформатор – силовий компонент такого перетворювача. Він намотаний на кільці фериту, який був знятий від китайського блоку для живлення галогенок (потужність 60 Вт).
Первинна обмотка трансформатора моталася 7-ма жилами. Для намотування обох обмоток використовувався провід з діаметром 0,5-0,6 мм. Первинна обмотка складається з 10 витків із відведенням від середини, тобто. дві рівноцінні половинки по 5 витків кожна. Обмотки розтягнуті по всьому кільцю. Після намотування, обмотки бажано ізолювати і мотати підвищуючу.
Вторинна обмотка складається з 80 витків (провід використовувався той самий, що й для намотування первинної обмотки). Транзистори були встановлені на тепловідведення, але не забуваємо ізолювати їх за допомогою спеціальних прокладок та шайб. Це робиться лише тоді, коли в обох транзисторів загальне тепловідведення.
Дросель можна прибрати та підключити живлення безпосередньо. Він складається з 7-10 витків дроту 1мм. Дросель може бути намотаний на кільці з порошкового заліза (такі кільця легко можна знайти в комп'ютерних БП). Схема інвертора попередньої налагодження не потребує і працює відразу.
Робота досить стабільна завдяки додатковому драйверу мікросхема не гріється. Транзистори гріються в межах норми, але раджу підібрати для них побільше тепловідведення.
Монтаж виконаний у корпусі від , який і відіграє роль тепловідведення для польових ключів.
Коли в автомобілі потрібно створити напругу, то зазвичай використовують спеціальні перетворювачі 12-220. У продажу є недорогі штатні інвертори із вартістю близько 20-30 доларів. Однак максимальна потужність таких пристроїв становить у кращому випадку близько 300 Ватт. У деяких випадках такої потужності недостатньо.
Отримати живлення для потужного підсилювача можна за допомогою невеликих перетворень. Достатньо лише замінити вторинну обмотку на стандартному інверторі. Після цього можна отримати будь-яке значення вхідної напруги. Наприклад, потужність інвертора 400 Ватт зросте до 600 Ватт.
Для підвищення потужності в домашніх умовах фахівці рекомендують скористатися простим способом. Потрібно замінити потужні біполярні ключі IRF 3205.
Для роботи взято інвертор, до якого можна підключити 4 пари вихідних транзисторів. Тому пристрій після проведення необхідних робіт зможе видати потужність близько 1300 Ватт. Якщо купувати готовий інвертор із такими параметрами, то вартість його зросте до 100-130 доларів.
Варто звернути увагу, що традиційна двотактна схема пристрою не містить захисту від перегріву, КЗ і перевантажень на виході.
Основу генератора складає мікрочіп ТЛ 494, який має додатковий драйвер. Необхідно провести заміну малопотужних біполярних транзисторів на вітчизняні аналоги (КТ 3107).
Для того щоб не використовувати потужні перемикачі для подачі живлення, інвертор оснащується схемою ремоут контролю.
У частині пристрою використані діоди спеціальні ШОТТКИ типу 4148 (підійде і вітчизняний КД 522). Транзистор у схемі ремоут контролю замінюють на КТ 3102.
Після цього можна переходити до найвідповідальнішої частини проекту – трансформатора. Цей елемент намотаний на пару склеєних кілець 3000 НМ. При цьому розмір кожного з них 45х28х8. Для щільнішої фіксації кільця можна обмотати скотчем.
Потім кільця обмотують зверху скловолокном (вартість його у магазині трохи більше 1 долара). Цілком допустимо замінити цей матеріал тканинною ізолентою.
Скловолокно нарізають на невеликі смужки завширшки близько 2 см і довжиною не більше 50 см. Матеріал для роботи має високу термостійкість, а завдяки тонкій основі ізоляція виглядає акуратно.
Для первинної обмотки потрібно 2х5 витків дроту, тобто 10 витків із відведенням від середини. Роботи виконуються проводом діаметром 0,7-0,8 мм, і кожне плече йде 12 жил. Наочніше процес представлений на наступних фотографіях.
Джгут розтягують, і на обидва плечі поступово намотують 5 витків, розтягуючи їх по всьому кільцю. Обмотки мають бути однакові.
Вийшли елементи мають чотири висновки. Початок першої обмотки потрібно припаяти до кінця другої. Місце припою буде відводом для силової напруги в 12 Ст.
На наступному етапі робіт кільце необхідно ізолювати за допомогою скловолокна та покрити вторинною обмоткою.
Вторинна обмотка збільшує вихідну напругу. Тому при проведенні робіт потрібно бути максимально акуратним і дотримуватися всіх запобіжних заходів. Варто пам'ятати, що висока напруга небезпечна. Монтаж пристрою здійснюється лише з вимкненим живленням.
Обмотку кілець проводять за допомогою пари паралельних жил дроту 0,7-0,8 мм. Кількість витків складає близько 80 штук. Провід рівномірно розподіляють по всьому кільцю. На фінальному етапі проводять додаткову ізоляцію виробу скловолокном.
Коли складання інвертора завершено, то можна приступати до його тестування. Пристрій підключають до акумулятора, спочатку підійде батарея з напругою 12 В від безперебійника. При цьому «плюс» живлення йтиме на схему через галогенну лампу потужністю 100 Ватт. Варто звернути увагу, що ця лампа не повинна світитися перед проведенням робіт та під час них.
Після цього можна переходити до перевірки польових ключів щодо тепловиділення. За правильно зібраної схеми воно має бути практично нульовим. Якщо вхідного навантаження немає, а транзистори перегріваються, потрібно шукати непрацюючий компонент у пристрої.
Якщо тестування пройшло успішно, то можна встановити транзистори на один загальний тепловідвід. Для цього використовують спеціальні ізоляційні прокладки.
Принципова електрична схема у форматі *.lay знаходиться в архівному файлі і стане доступною після завантаження.
Інвертор 12V/220V річ у господарстві потрібна. Іноді просто необхідна: мережа, скажімо, зникла, а телефон розряджений і в холодильнику м'ясо. Попит визначає пропозицію: за готові моделі на 1кВт і більше, яких можна запитувати будь-які електроприлади, доведеться викласти десь від $150. Можливо, понад $300. Однак зробити перетворювач напруги своїми руками в наш час справа доступна кожному, хто вміє паяти: зібрати його з готового набору компонентів обійдеться втричі-вчетверо дешевше + трохи роботи та металу з підручного мотлоху. Якщо є для автомобільних акумуляторних батарей (АКБ), можна вкластися взагалі 300-500 руб. А якщо є ще й початкові радіоаматорські навички, то, порившись у загашниках, можна зробити інвертор 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт зовсім задарма. Розглянемо можливі варіанти.
Варіанти: глобально
Перетворювач напруги 12-220 В для живлення навантаження до 1000 Вт і більше можна зробити самостійно такими способами (у порядку підвищення витрат):
- Оформити в корпус із тепловідведенням готовий блок з Avito, Ebay або AliExpress. Шукається за запитом "inverter 220" або "inverter 12/220"; можна відразу додати потрібну потужність. Обійдеться прим. вдвічі дешевше за такий самий заводський. Електротехнічних навичок не потрібно, але див. нижче;
- Зібрати такий із набору: друкована плата + «розсип» компонент. Купується там же, але до запиту додається diy, що означає під самоскладання. Ціна ще прим. у 1,5 рази нижче. Потрібні початкові навички в радіоелектроніці: користуватися мультиметром, знання розводок (розпинувань) висновків активних елементів або вміння їх шукати, правил включення до схеми полярних компонентів (діодів, електролітичних конденсаторів) та вміння визначати, на який струм якого перетину потрібні дроти;
- Пристосувати під інвертор комп'ютерне джерело безперебійного живлення (ДБЖ, UPS). Справний ДБЖ без штатної АКБ можна знайти за 300-500 руб. Навичок не потрібно ніяких - до ДБЖ просто підключається авто АКБ. Але заряджати її доведеться окремо, також див. нижче;
- Вибрати метод перетворення, схему (див. далі) відповідно до своїх потреб і наявності деталей, розрахувати і зібрати повністю самостійно. Можливо зовсім задарма, але крім початкових електронних навичок знадобиться вміння користуватися деякими спеціальними вимірювальними приладами (теж див. далі) і проводити найпростіші інженерні розрахунки.
З готового модуля
Способи збирання за пп. 1 і 2 насправді не такі вже й прості. Корпуси готових заводських інверторів є одночасно і тепловідведеннями для потужних транзисторних ключів усередині. Якщо брати «напівфабрикат» чи «розсип», то корпусу до них не буде: за теперішньої собівартості електроніки, ручної праці та кольорових металів різниця в цінах пояснюється саме відсутністю другого і, можливо, третього. Тобто радіатор для потужних ключів доведеться робити самому або шукати готовий алюмінієвий. Його товщина в місці встановлення ключів повинна бути від 4 мм, а площі на кожен ключ має бути від 50 кв. див. на кожен кВт потужності, що віддається; з обдуванням від комп'ютерного вентилятора-кулера на 12 В 110-130 мА - від 30 кв. см*кВт*ключ.
Напр., в наборі (модулі) 2 ключі (їх видно, вони стирчать із плати, див. зліва на рис.); модулі з ключами на радіаторі (праворуч на рис.) коштують дорожче і розраховані на певну, як правило, не дуже велику потужність. Кулера немає, потужність потрібна 1,5 квт. Отже, потрібний радіатор від 150 кв. див. Крім нього ще настановні комплекти для ключів: ізолюючі теплопровідні прокладки та фурнітура під кріпильні гвинти – ізолюючі чашки та шайби. Якщо модуль із теплозахистом (між ключами стирчатиме ще якась фітюлька – термодатчик), то трохи термопасти для приклеювання його до радіатора. Провід - само собою, див. далі.
З ДБЖ (UPS)
Інвертор 12В DC/220 В AC 50 Гц, до якого можна підключати будь-які прилади в межах допустимої потужності, робиться з комп'ютерного ДБЖ дуже просто: штатні дроти до «своїй» АКБ замінюються довгими затискачами під клеми авто АКБ. Перетин проводів розраховується з допустимої щільності струму 20-25 А/кв. мм, див також далі. Але ось через позаштатну батарею можуть виникнути проблеми – з нею ж, а вона дорожча і потрібніша за перетворювач.
У ДБЖ застосовуються також свинцево-кислотні АКБ. Це сьогодні єдино широко доступне вторинне хімічне джерело електроживлення, здатне регулярно віддавати великі струми (екстратоки), не «вбиваючись» повністю за 10-15 циклів заряд-розряд. В авіації використовуються срібно-цинкові АКБ, які ще потужніші, але вони жахливо дорогі, у широкий оборот не випускаються, а їхній ресурс за побутовими мірками нікчемний – бл. 150 циклів.
Розряд кислотних АКБ чітко відстежується по напрузі на банку, і контролер ДБЖ не дасть «чужій» батареї розрядитися надмірно. Але в штатних АКБ ДБЖ електроліт гелевий, а в акумуляторах рідкий. Режими заряду в тому й іншому випадку істотно відрізняються: крізь гель не можна пропускати такі струми, як крізь рідину, а в рідкому електроліті при занадто малому струмі заряду рухливість іонів буде мала і вони не всі повернуться на свої місця в електродах. В результаті ДБЖ хронічно недозаряджатиме авто АКБ, вона незабаром засульфатується і прийде в повну непридатність. Тому в комплект до інвертора на ДБЖ потрібен зарядний пристрій акумуляторів. Зробити його власноруч можна, але це вже інша тема.
Батарея та потужність
Від АКБ залежить і придатність перетворювача тієї чи іншої мети. Інвертор напруги, що підвищує, не бере енергію для споживачів з «темної матерії» Всесвіту, чорних дір, духу святого або звідкись ще просто так. Тільки – з АКБ. А від неї він візьме потужність, що віддається споживачам, поділену на ККД самого перетворювача.
Якщо ви побачите на корпусі фірмового інвертора «6800W» або більше – вірте своїм очам. Сучасна електроніка дозволяє помістити в обсязі сигаретної пачки пристрою та потужніше. Але, припустимо, нам потрібна потужність у навантаженні 1000 Вт, а в розпорядженні є звичайний акумулятор на 12 В 60 А/год. Типове значення ККД інвертора – 0,8. Значить, від батареї він візьме прибл. 100 А. На такий струм потрібні і дроти перетином від 5 кв. мм (див. вище), але це тут головне.
Автолюбителі знають: ганяв стартер 20 хв – купуй новий акумулятор. Щоправда, у нових машинах є обмежувачі часу його роботи, тож, можливо, й не знають. І точно не всі знають, що стартер легковика, розкрутившись, бере струм прибл. 75 А (протягом 0,1-0,2 с під час запуску – до 600 А). Найпростіший розрахунок - і виходить, що якщо в інверторі немає автоматики, що обмежує розряд батареї, то наша за 15 хв сяде повністю. Тож вибирайте або конструюйте свій перетворювач з урахуванням можливостей готівкової АКБ.
Примітка:з цього випливає величезна перевага перетворювачів 12/220 на основі комп'ютерних ДБЖ - їх контролер не дасть повністю посадити батарею.
Ресурс кислотних АКБ помітно не зменшується, якщо вони розряджаються 2-годинним струмом (12 А для 60 А/год, 24 А для 120 А/год і 42 А для 210 А/год). З урахуванням ККД перетворення це дає допустиму довготривалу потужність навантаження на прим. 120 Вт, 230 Вт та 400 Вт соотв. Для 10 хв. навантаження (напр., для запиту електроінструменту) вона може бути збільшена в 2,5 рази, але після цього АБК має відпочити не менше 20 хв.
Загалом результат виходить не зовсім поганий. Зі звичайного побутового електроінструменту тільки болгарка може брати 1000-1300 Вт. Інші, як правило, обходяться потужністю до 400 Вт, а шуруповерти до 250 Вт. Холодильник від АКБ 12 60 А/год через інвертор пропрацює 1,5-5 год; цілком достатньо, щоб вжити необхідних заходів. Тому робити перетворювач на 1 кВт для батареї 60 А/год сенс має.
Що буде на виході?
Перетворювачі напруги для зменшення масогабаритів пристрою за рідкісними винятками (див. далі) працюють на підвищених частотах від сотень Гц до одиниць і десятків кГц. Струм такої частоти не прийме жодного споживача, а втрати його енергії у звичайній проводці будуть величезні. Тому інвертори 12-200 будуються під вихідну напругу слід. видів:
- Постійне випрямлення 220 В (220V AC). Придатні для живлення телефонних зарядок, більшості джерел живлення (ІП) планшетів, ламп розжарювання, люмінесцентних економок та світлодіодних. На потужність від 150-250 Вт відмінно підійдуть для ручного електроінструменту: споживана ним потужність на постійному струмі трохи знижується, а момент, що крутить, зростає. Непридатні для імпульсних блоків живлення (ДБЖ) телевізорів, комп'ютерів, ноутбуків, мікрохвильових печей тощо. потужністю понад 40-50 Вт: у таких обов'язково є т. зв. пусковий вузол, для нормальної роботи якого напруга повинна періодично проходити через нуль. Непридатні та небезпечні для приладів з силовими трансформаторами на залізі та електромоторами змінного струму: стаціонарного електроінструменту, холодильників, кондиціонерів, більшої частини Hi-Fi аудіо, кухонних комбайнів, деяких пилососів, кавоварок, кавомолок та мікрохвильових печей. столу).
- Модифіковане синусоїдальне (див. далі) – придатні для будь-яких споживачів, крім Hi-Fi аудіо з ДБЖ, інших пристроїв з ДБЖ від 40-50 Вт (див. вище) і часто локальних охоронних систем, домашніх метеостанцій і т.п. із чутливими аналоговими датчиками.
- Чисте синусоїдальне – придатні без обмежень, крім потужності, для будь-яких споживачів електроенергії.
Синус чи псевдосинус?
З метою підвищення економічності перетворення напруги здійснюється не лише на підвищених частотах, а й різнополярними імпульсами. Однак запитувати дуже багато приладів-споживачів послідовністю різнополярних прямокутних імпульсів (т. зв. меандром) не можна: великі викиди на фронтах меандру при хоч трохи реактивному навантаженні призведуть до великих втрат енергії і можуть викликати несправність споживача. Проте проектувати перетворювач на синусодальний струм теж не можна – ККД не перевищить прим. 0,6.
Тиха, але суттєва у цій галузі революція відбулася, коли спеціально для інверторів напруги розробили мікросхеми, формують т. зв. модифіковану синусоїду (ліворуч на рис.), хоча правильніше було б назвати її псевдо-, мета-, квазі-і т.п. синусоїдою. Форма струму модифікованої синусоїди ступінчаста, а фронти імпульсів затягнуті (фронтів меандру на екрані електронно-променевого осцилографа часто взагалі не видно). Завдяки цьому споживачі з трансформаторами на залозі або помітною реактивністю (асинхронними електромоторами) «розуміють» псевдосинусоїду «як справжню» і працюють як ні в чому не бувало; Hi-Fi аудіо з мережевим трансформатором на залізі запитувати модифікованою синусоїдою можна. Крім того, модифіковану синусоїду можливо досить простими способами згладити до «майже справжньої», відмінності якої від чистої на осцилографі на око ледь помітні; Перетворювачі типу «Чистий синус» коштують не набагато дорожче звичайних, праворуч на рис.
Однак прилади з примхливими аналоговими вузлами та ДБЖ запускати від модифікованої синусоїди небажано. Останні – вкрай небажано. Справа в тому, що середній майданчик модифікованої синусоїди не чистий нуль напруги. Вузол запуску ДБЖ від модифікованої синусоїди спрацьовує нечітко і весь ДБЖ може не вийти з режиму запуску в робітник. Користувач це бачить спочатку як потворні глюки, а потім з девайсу йде дим, як в анекдоті. Тому прилади в ДБЖ потрібно запитувати від інверторів типу Чистий Синус.
Робимо інвертор самі
Отже, поки зрозуміло, що найкраще робити інвертор на вихід 220 В 50 Гц, хоча і про вихід AC ми теж ще згадаємо. У першому випадку контролю частоти знадобиться частотомір: норми на коливання частоти мережі електроживлення – 48-53 Гц. Особливо чутливі до її відхилень електромотори змінного струму: при виході частоти напруги до межі допуску вони гріються і «відходять» від номінальних оборотів. Останнє дуже небезпечне для холодильників і кондиціонерів, які можуть невпинно вийти з ладу внаслідок розгерметизації. Але купувати, орендувати чи випрошувати на якийсь час точний і багатофункціональний електронний частотомір немає потрібних – нам його точність ні до чого. Цілком підійде або електромеханічний резонансний частотомір (поз. 1 на рис.), або будь-який стрілочний системи, поз. 2:
Коштують і недорого, продаються в інтернеті, а у великих містах в електротехнічних спецмагазинах. Старий резонансний частотомір можна знайти на залізному базарі, а який після налагодження інвертора дуже підійдуть для контролю частоти мережі в будинку - лічильник на підключення їх до мережі не реагує.
50 Гц від комп'ютера
Найчастіше харчування 220 В 50 Гц потрібно споживачам не особливо потужним, до 250-350 Вт. Тоді основою перетворювача 12/220 В 50 Гц може послужити ДБЖ від старого комп'ютера - якщо, звичайно, такий валяється в мотлоху або хтось продає дешево. Потужність, що віддається в навантаження, буде прим. 0,7 від номінальної ДБЖ. Напр., якщо на корпусі значиться «250W», то прилади до 150-170 Вт можна підключати безбоязно. Потрібно більше – треба спочатку перевірити на навантаженні лампи розжарювання. Витримав 2 години – таку потужність здатний віддавати довгостроково. Як зробити інвертор 12V DC/220V AC 50Hz з комп'ютерного блока живлення, див. нижче.
Відео: простий перетворювач 12-220 з комп'ютерного БП
Ключі
Припустимо, комп'ютерного ДБЖ немає або потрібна потужність більше. Тоді важливого значення набуває вибір ключових елементів: вони повинні комутувати великі струми з найменшими втратами на перемикання, бути надійними та доступними за ціною. У цьому плані біполярні транзистори і тиристори у сфері застосування впевнено йдуть у минуле.
Друга революція в інверторній справі пов'язана з появою сильних польових транзисторів («польовиків») т. зв. вертикальні структури. Втім, вони перевернули всю техніку електроживлення малопотужних пристроїв: знайти в «побутовій» трансформатор на залозі стає все важче.
Найкращі з потужних полевиків для перетворювачів напруги – із ізольованим затвором та індукованим каналом (MOSFET), напр. IFR3205, ліворуч на рис.
Завдяки мізерній потужності перемикання ККД інвертора з виходом DC на таких транзисторах може досягати 0,95, а з виходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET із вбудованим каналом, напр. IFRZ44, дають ККД нижче, але коштують набагато дешевше. Пара тих чи інших дозволяє довести потужність у навантаженні до прим. 600 Вт; ті та інші без проблем запаралельуються (праворуч на рис.), що дозволяє будувати інвертори на потужність до 3 кВт.
Примітка:потужність втрат перемикання ключів із вбудованим каналом під час роботи на істотно реактивне навантаження (напр., асинхронний електродвигун) може досягати 1,5 Вт на ключ. Ключі з індукованим каналом від цього недоліку є вільними.
TL494
Третій елемент, який дозволив довести перетворювачі напруги до теперішнього стану – спеціалізована мікросхема TL494 та її аналоги. Всі вони є контролером широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), що формує на виходах сигнал модифікованої синусоїди. Виходи різнополярні, що дозволяє керувати парами ключів. Опорна частота перетворення визначається одним RC ланцюгом, параметри якого можна змінювати в широких межах.
Коли вистачить постійки
Коло споживачів струму 220 В DC обмежене, але саме в них потреба в автономному електроживленні виникає не тільки в аварійних ситуаціях. Напр., при роботі електроінструментом на виїзді або в дальньому кутку своєї ділянки. Або є завжди, скажімо, біля чергового освітлення входу в будинок, передпокою, коридору, прибудинкової території від сонячної батареї, що вдень заряджає АКБ. Третій типовий випадок – заряджання телефону на ходу від прикурювача. Тут потужність на виході потрібна зовсім маленька, так що інвертор може бути виконаний лише на 1 транзисторі за схемою релаксаційного генератора, див. ролик.
Відео: підвищуючий перетворювач на одному транзисторі
Вже для живлення 2-3 світлодіодних лампочок потрібна більша потужність. ККД блокінг-генераторів при спробі «вичавити» її різко падає, і доводиться переходити на схеми з окремими часзадающими елементами або повним внутрішнім індуктивним зворотним зв'язком, вони найбільш економічні і містять найменшу кількість компонентів. У першому випадку для комутації одного ключа використовується ЕРС самоіндукції однієї з обмоток трансформатора спільно з ланцюгом, що задає час. У другому частотозадающим елементом є сам підвищує трансформатор за рахунок його власної постійної часу; її величина визначається переважно явищем самоіндукції. Тому й інші інвертори іноді називають перетворювачами на самоіндукції. Їх ККД, як правило, не вище 0,6-0,65, але, по-перше, схема проста і налагодження не вимагає. По-друге, напруга на виході швидше трапецеїдальна, ніж меандр; "вибагливі" споживачі "розуміють" його як модифіковану синусоїду. Недолік – польові ключі у таких перетворювачах майже непридатні, т.к. часто виходять з ладу від кидків напруги на первинній обмотці під час комутації.
Приклад схеми із зовнішніми часзадающими елементами дано на поз. 1 рис.:
Автору конструкції не вдалося вичавити з неї більше 11 Вт, але зважаючи на все, він переплутав ферит з карбонільним залізом. Принаймні, броньовий (чашечний) магнітопровід на його фото (див. рис. справа) не феритовий. Більше він схожий на старий карбонільний, що окислився зовні від часу, див. рис. праворуч. Трансформатор для цього інвертора краще намотати на феритовому кільці з площею перерізу феритом 0,7-1,2 кв. см. Первинна обмотка тоді повинна містити 7 витків дроту діаметром по міді 0,6-0,8 мм, а вторинна 57-58 витків дроту 0,3-0,32 мм. Це під випрямлення з подвоєнням, див. Під "чисті" 220 В - 230-235 витків дроту 0,2-0,25. У такому разі цей інвертор при заміні КТ814 на КТ818 віддасть потужність до 25-30 Вт, чого достатньо для 3-4 світлодіодних ламп. При заміні КТ814 на КТ626 потужність навантаження буде прибл. 15 Вт, але ККД підвищиться. В обох випадках радіатор ключа – від 50 кв. див.
На поз. 2 дана схема «допотопного» перетворювача 12-220 з окремими обмотками зворотного зв'язку. Не така вже вона архаїчна. По-перше, вихідна напруга під навантаженням – трапеція із заокругленими переломами без викидів. Це навіть краще, ніж модифікована синусоїда. По-друге, цей перетворювач може бути без будь-яких переробок у схемі виконаний на потужність до 300-350 Вт і частоту 50 Гц, тоді випрямляч не потрібен, треба тільки поставити VT1 та VT2 на радіатори від 250 кв. див. кожен. По-третє, він береже АКБ: при перевантаженні частота перетворення падає, потужність, що віддається, зменшується, а якщо навантажити ще більше, генерація зривається. Тобто, щоб уникнути перерозряду батареї, не потрібно жодної автоматики.
Порядок розрахунку даного інвертора дано у скані на рис.
Ключові величини в ньому – частота перетворення та робоча індукція у магнітопроводі. Частоту перетворення вибирають виходячи з матеріалу готівкового сердечника та необхідної потужності:
| Тип Магнітопроводи | Індукція/частота перетворення | |||
|---|---|---|---|---|
| До 50 Вт | 50-100 Вт | 100-200 Вт | 200-350 Вт | |
| «Силове» залізо від трансформаторів живлення завтовшки 0,35-0,6 мм | 0,5 Тл/(50-1000) Гц | 0,55 Тл/(50-400) Гц | 0,6 Тл/(50-150) Гц | 0,7 Тл/(50-60)Гц |
| «Звукове» залізо від вихідних трансформаторів УМЗЧ завтовшки 0,2-0,25 мм | 0,4 Тл/(1000-3000) Гц | 0,35 Тл/(1000-2000) Гц | - | - |
| «Сигнальне» залізо від сигнальних трансформаторів завтовшки 0,06-0,15 мм (не пермалою!) | 0,3 Тл/(2000-8000) Гц | 0,25 Тл/(2000-5000) Гц | - | - |
| Ферріт | 0,15 Тл/(5-30)кГц | 0,15 Тл/(5-30)кГц | 0,15 Тл/(5-30)кГц | 0,15 Тл/(5-30)кГц |
Така «всеїдність» фериту пояснюється тим, що петля його гістерези прямокутна і робоча індукція дорівнює індукції насичення. Зменшення порівняно з типовими розрахункових значень індукції у сталевих магнітопроводах викликано різким зростанням втрат на комутацію несинусоїдальних струмів за її зростання. Тому з сердечника силового трансформатора старого телевізора-«труни» на 270 Вт у цьому перетворювачі на 50 Гц вдасться зняти трохи більше 100-120 Вт. Але – на безриб'ї та рак риба.
Примітка:якщо в наявності є сталевий магнітопровід явно завищеного перерізу, не вичавлюйте з нього потужність! Нехай краще індукція буде меншою – ККД перетворювача зросте, а форма вихідної напруги покращає.
Випрямлення
Випрямляти вихідну напругу цих інверторів краще за схемою з паралельним подвоєнням напруги (поз. 3 на рис. зі схемами): компоненти для неї обійдуться дешевше, а втрати потужності на несинусоїдальному струмі будуть меншими, ніж у бруківці. Конденсатори потрібно брати "силові", розраховані на більшу реактивну потужність (з позначками PE або W). Якщо поставити звукові без цих літер, вони можуть просто вибухнути.
50 гц? Це дуже просто!
Простий інвертор на 50 Гц (поз. 4 рис. вище зі схемами) – цікава конструкція. У деяких видів типових трансформаторів живлення власна стала часу близька до 10 мс, тобто. половині періоду 50 Гц. Підкоригувавши її резисторами, що часзадають, які будуть одночасно і обмежувачами струму управління ключів, можна отримати на виході відразу згладжений меандр 50 Гц без складних схем формування. Підійдуть трансформатори ТП, ТПП, ТН на 50-120 Вт, але не всякі. Можливо, доведеться змінити номінали резисторів та/або включити паралельно їм конденсатори на 1-22 нФ. Якщо частота перетворення все одно далеко від 50 Гц, розбирати і перемотувати трансформатор марно: склеєний феромагнітним клеєм магнітопровід розпушиться, і параметри трансформатора різко погіршаться.
Цей інвертор – дачний перетворювач вихідного дня. Акумулятор машини він не посадить з тих самих причин, що й попередній. Але його вистачить на освітлення будиночка з верандою світлодіодними лампами та телевізор чи вібраційний насос у свердловині. Частота перетворення інвертора налагодженого при змінах струму навантаження від 0 до максимального не виходить за межі технорми для мереж електроживлення.
Розводять обмотки вихідного трансформатора так. У типових трансформаторах харчування по парному числу вторинних обмоток на 12 чи 6 У. Дві їх «відкладаються», інші розпаюються паралельно групи з рівного числа обмоток у кожному. Далі групи з'єднуються послідовно так, щоб вийшли 2 напівобмотки на 12 кожна, це буде низьковільна (первинна) обмотка з середньою точкою. З низьковольтних обмоток, що залишилися, одна з'єднується послідовно з мережевий на 220 В, це буде підвищуюча обмотка. Добавка до неї необхідна, т.к. падіння напруги на ключах з біполярних складових транзисторах спільно з його втратами в трансформаторі може досягати 2,5-3, і вихідна напруга виявиться заниженим. Додаткова обмотка доведе його до норми.
DC від мікросхеми
ККД описаних перетворювачів вбирається у 0,8, а частота залежно від струму навантаження помітно плаває. Гранична потужність навантаження менше 400 Вт, так що настав час згадати про сучасні схемні рішення.
Схема простого перетворювача 12 В DC/ 220 В DC на 500-600 Вт дана на рис.
Основне призначення – живлення ручного електроінструменту. До якості напруги, що підводиться, таке навантаження не вимогливе, тому ключі взяті дешевше; підійдуть також IFRZ46, 48. Трансформатор мотається на ферит перетином 2-2,5 кв. см; підійде сердечник силового трансформатора від комп'ютерного ДБЖ. Первинна обмотка - 2х5 витків джгута з 5-6 обмотувальних проводів діаметром по міді 0,7-0,8 мм (див. нижче); вторинна – 80 витків такого ж дроту. Налагодження не потрібне, але контролю розряду батареї немає, так що в процесі роботи потрібно причепити до її клем мультиметр і не забувати на нього поглядати (те саме стосується й усіх інших саморобних інверторів напруги). Якщо напруга впала до 10,8 В (1,8 В на банку) - стоп, вимикаємось! Впало до 1,75 В на банку (10,5 В вся батарея) – це вже пішла сульфатація!
Як мотати трансформатор на кільці
На якісні характеристики інвертора, зокрема, з його ККД, досить сильно впливає поле розсіювання його трансформатора. Принципове рішення для його зменшення давно відомо: первинну обмотку, що «накачує» магнітопровід енергією, розміщують впритул до нього; вторинні над нею за зменшенням їхньої потужності. Але техніка така справа, що теоретичні принципи в конкретних конструкціях іноді доводиться вивертати навиворіт. Один із законів Мерфі говорить прим. так: якщо залізниця ну ось все одно не хоче працювати як треба, спробуй зробити в ній все навпаки. Повною мірою це стосується трансформатора підвищеної частоти на феритовому кільцевому магнітопроводі з обмотками відносно товстого жорсткого проводу. Мотають трансформатор перетворювача напруги на феритовому кільці так:
- Ізолюють магнітопровід і за допомогою намотувального човника намотують на нього вторинну обмотку, що підвищує, укладаючи витки якомога щільніше, поз. 1 на рис.:
- Щільно обтягують "вторинку" скотчем, поз 2.
- Готують 2 однакових джгута проводів для первинної обмотки: намотують кількість витків половини низьковольтної обмотки тонким негідним проводом, знімають його, заміряють довжину, відрізають потрібну кількість відрізків обмотувального дроту із запасом і збирають в джгути.
- Додатково ізолюють вторинну обмотку до отримання відносно рівної поверхні.
- Мотають «первинку» двома джгутами одночасно, розташовуючи дроти джгутів стрічкою і поступово розподіляючи витки по сердечнику, поз. 3.
- Видзвонюють кінці джгутів і з'єднують початок одного з кінцем іншого, це буде середня точка обмотки.
Примітка:на електричних важливих схемах початку обмоток, якщо це має значення, позначаються точкою.
50 Гц згладжені
Модифікована синусоїда від ШІМ-контролера не єдиний спосіб отримати на виході інвертора 50 Гц, придатні для підключення будь-яких побутових споживачів електрики, та й ту не завадило б ще «пригладити». Найпростіший із них – старий добрий трансформатор на залозі, він добре «гладить» за рахунок своєї електричної інерції. Щоправда, знайти магнітопровід більш ніж на 500 Вт стає все важче. Включається такий розділовий трансформатор на низьковільний вихід інвертора, а до підвищує його обмотці підключається навантаження. За цією схемою, до речі, побудовано більшість комп'ютерних ДБЖ, тому вони для такої мети цілком підходять. Якщо ж мотати трансформатор самому, то він розраховується аналогічно силовому, але зі слід. особливостями:
- Спочатку певна величина робочої індукції ділиться на 1,1 і застосовується у всіх подальших розрахунках. Так потрібно, щоб врахувати т.зв. коефіцієнт форми несинусоїдальної напруги Кф; у синусоїди Кф = 1.
- Підвищуюча обмотка розраховується спочатку як мережева на 220 для заданої потужності (або визначеної за параметрами магнітопроводу і величиною робочої індукції). Потім знайдена кількість її витків множиться на 1,08 для потужності до 150 Вт, на 1,05 для потужностей 150-400 Вт та на 1,02 для потужностей 400-1300 Вт.
- Половина низьковольтної обмотки розраховується як вторинна на напругу 14,5 під ключі біполярні або з вбудованим каналом і на 13,2 для ключів з індукованим каналом.
Приклади схемних рішень перетворювачів 12-200 50 Гц з розділовим трансформатором дано на рис.
На тій, що зліва, ключами управляє генератор, що задає, на т. зв. «м'якому» мультивібраторі, він уже генерує меандр у заваленими фронтами та згладженими переломами, так що додаткових заходів згладжування не потрібно. Нестабільність частоти м'якого мультивібратора вища, ніж звичайного, тому для її підстроювання потрібен потенціометр P. З ключами на КТ827 можна зняти потужність до 200 Вт (радіатори – від 200 кв. см без обдування). Ключі на КП904 зі старого мотлоху або IRFZ44 дозволяють збільшити її до 350 Вт; одинарні на IRF3205 до 600 Вт, а спарені на них до 1000 Вт.
Інвертор 12-220 В 50 Гц з генератором, що задає, на TL494 (праворуч на рис.) частоту тримає залізно у всіх мислимих немислимих умовах експлуатації. Для ефективнішого згладжування псевдосинусоїди використовується явище т. зв. байдужого резонансу, при якому фазові співвідношення струмів і напруг в коливальному контурі стають такими, як при гострому резонансі, але їх амплітуди помітно не збільшуються. Технічно це вирішується просто: до підвищуючої обмотки підключають конденсатор, що згладжує, значення ємності якого підбирають за найкращою формою струму (не напруги!) під навантаженням. Для контролю форми струму ланцюг навантаження на потужність 0,03-0,1 від номінальної включають резистор на 0,1-0,5 Ом, до якого і підключають осцилограф із закритим входом. Згладжуюча ємність не зменшує ККД інвертора, але користуватися для налаштування комп'ютерними програмами симуляції НЧ осцилографа не можна, тому що не можна. вхід звукової карти, яка в них використовується, не розрахований на амплітуду 220х1,4 = 310 В! Ключі та потужності такі ж, як у перед. випадку.
Більш досконала схема перетворювача 12-200 50 Гц дана на рис.:
У ній використовуються складні складові ключі. Для поліпшення якості вихідної напруги в ній використовується той факт, що емітер планарно-епітаксіальних біполярних транзисторів легований набагато сильніше за базу і колектор. Коли TL494 подасть потенціал, що закриває, напр., на базу VT3, струм його колектора припиниться, але за рахунок розсмоктування об'ємного заряду емітера він уповільнить замикання T1 і викиди напруги від ЕРС самоіндукції Tr поглинуться ланцюгами L1 і R11C5; вони ж більше "нахилять" фронти. Вихідна потужність інвертора визначається габаритною потужністю Tr але не більше 600 Вт, т.к. використовувати в даній схемі парні потужні ключі не можна - розкид величини заряду MOSFET транзисторів досить значний і перемикання ключів буде нечітким, чому форма вихідної напруги може навіть погіршитися.
Дросель L1 це 5-6 витків дроту діаметром від 2,4 мм по міді, намотаних на відрізок феритового стрижня діаметром 8-10 м та довжиною 30-40 мм з кроком 3,5-4 мм. Магнітопровід дроселя не повинен бути замкнутий! Налагодження схеми справа досить копітка і потребує чималого досвіду: необхідно підібрати L1, R11 і C5 за найкращою формою вихідного струму під навантаженням, як у попередньо. випадку. Зате і Hi-Fi, запитане від цього перетворювача, залишається «хайфаєм» на найвибагливіший слух.
А чи не можна без трансформатора?
Вже обмотувальний провід для потужного трансформатора на 50 Гц влетить у копієчку. Більш-менш доступні магнітопроводи від «гробових» трансформаторів до 270 Вт габаритних, але в інверторі з такого більше 120-150 Вт не вичавиш, а ККД буде в кращому разі 0,7, т.к. «гробові» магнітопроводи навиті з товстої стрічки, втрати на вихрові струми в якій при несинусоїальній напрузі на обмотках великі. Знайти магнітопровід ШЛ із тонкої стрічки, здатний віддати понад 350 Вт при індукції 0,7 Тл взагалі проблематично, обійдеться він дорого, а весь перетворювач вийде величезним та непідйомним. Трансформатори ДБЖ не розраховані на часту роботу в тривалому режимі - вони гріються і магнітопроводи їх в інверторах досить швидко деградують - магнітні властивості сильно погіршуються, потужність перетворювача падає. Чи є вихід?
Так, і таке рішення нерідко застосовується у фірмових перетворювачах. Це – електричний міст із ключів на високовольтних силових польових транзисторах з напругою пробою від 400 В та струмом стоку понад 5 А. Підійдуть із первинних ланцюгів комп'ютерних ДБЖ, а зі старого мотлоху – КП904 тощо.
Міст запитується постійкою 220 DC від нескладного інвертора 12-220 з випрямленням. Плечі моста відкриваються парами навперейми по черзі, і струм у навантаженні, включеному в діагональ моста, змінює напрямок; ланцюги керування всіх ключів гальванічно розділені. У промислових конструкціях ключі керуються від спец. ІМС з розв'язкою оптопарами, але в аматорських умовах те й інше можна замінити додатковим малопотужним інвертором 12 В DC - 12 В 50 Гц, що працює на невеликий трансформатор на залізі, див. рис. Магнітопровід для нього можна взяти від китайського малопотужного базарного трансформатора живлення. За рахунок його електричної інерції якість вихідної напруги виходить навіть кращою, ніж модифікована синусоїда.
